[논문 리뷰] Spectrum and Energy Efficient Beamspace MIMO-NOMA for Millimeter-Wave Communications Using Lens Antenna Array

Bichai Wang, Linglong Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 26인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 비정규직렬다중접속(NOMA)을 범위공간 MIMO와 융합하여, RF 체인 수를 초월하는 더 많은 사용자를 지원할 수 있는 스펙트럼 및 에너지 효율적인 mmWave 전송 방식인 범위공간 MIMO-NOMA를 제안한다. 전력 도메인 다중화와 반복적 전력 할당을 통한 ZF 기반 전방향화를 통해 각 빔에서 다중 사용자 다중화를 실현함으로써, 기존의 범위공간 MIMO보다 최대 25% 높은 에너지 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

The recent concept of beamspace multiple input multiple output (MIMO) can significantly reduce the number of required radio-frequency (RF) chains in millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems without obvious performance loss. However, the fundamental limit of existing beamspace MIMO is that, the number of supported users cannot be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. To break this fundamental limit, in this paper we propose a new spectrum and energy efficient mmWave transmission scheme that integrates the concept of non-orthogonal multiple access (NOMA) with beamspace MIMO, i.e., beamspace MIMO-NOMA. By using NOMA in beamspace MIMO systems, the number of supported users can be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. Particularly, the achievable sum rate of the proposed beamspace MIMO-NOMA in a typical mmWave channel model is analyzed, which shows an obvious performance gain compared with the existing beamspace MIMO. Then, a precoding scheme based on the principle of zero-forcing (ZF) is designed to reduce the inter-beam interferences in the beamspace MIMO-NOMA system. Furthermore, to maximize the achievable sum rate, a dynamic power allocation is proposed by solving the joint power optimization problem, which not only includes the intra-beam power optimization, but also considers the inter-beam power optimization. Finally, an iterative optimization algorithm with low complexity is developed to realize the dynamic power allocation. Simulation results show that the proposed beamspace MIMO-NOMA can achieve higher spectrum and energy efficiency compared with existing beamspace MIMO.

연구 동기 및 목표

• RF 체인 수를 초월해 지원 가능한 사용자 수가 제한되는 범위공간 MIMO의 근본적 한계를 해결한다.
• NOMA를 통해 RF 체인 수를 초월해 더 많은 사용자를 지원함으로써 mmWave 시스템에서의 매크로 연결성을 실현한다.
• 렌즈 안테나 어레이를 활용해 NOMA를 범위공간 MIMO와 융합함으로써 mmWave MIMO의 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 합산 속도를 최대화하기 위해 내부 빔 및 외부 빔 전력 할당을 동시에 최적화하는 저복잡도 반복 전력 할당 알고리즘을 설계한다.
• 전력 할당 설계 시 최소 데이터 전송률 제약 조건을 적용하여 사용자 간 공정성을 확보한다.

제안 방법

• 렌즈 안테나 어레이를 활용해 NOMA를 범위공간 MIMO와 융합함으로써 mmWave 주파수 대역에서 공간 다중화 및 빔포밍 이득을 실현한다.
• 빔스페이스 도메인에서 제로포싱(ZF) 전방향화를 적용하여 빔별 등가 채널 벡터를 설계함으로써 외부 빔 간 간섭을 억제한다.
• 합성 합산 속도를 최대화하기 위해 내부 빔 및 외부 빔 전력 할당을 동시에 최적화하는 공동 전력 할당 문제를 수립한다.
• 비볼록 공동 전력 할당 문제를 해결하기 위해 저복잡도의 반복 최적화 알고리즘을 개발한다.
• 스parser성과 빔 상관관계를 고려한 현실적인 mmWave 채널 모델을 사용하여 시스템 성능을 평가한다.
• RF 체인, 스위치, 베이스밴드의 전력 소모를 포함한 실용적인 하드웨어 에너지 모델을 활용해 에너지 효율성을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA는 RF 체인 수에 의해 제한되는 사용자 수 제한을 극복하기 위해 범위공간 MIMO에 효과적으로 통합될 수 있는가?
• RQ2 기존의 범위공간 MIMO와 비교했을 때, 제안된 범위공간 MIMO-NOMA의 합산 속도 및 스펙트럼 효율성은 어떠한가?
• RQ3 범위공간 MIMO-NOMA에서 동적 전력 할당은 간섭 억제 및 시스템 합산 속도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 실제 하드웨어 제약 조건 하에서, 범위공간 MIMO-NOMA의 에너지 효율성은 완전 디지털 MIMO 및 기존의 범위공간 MIMO와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 제안된 방식은 RF 체인 수를 초월해 더 많은 사용자를 지원하면서도 사용자 간 공정성을 어느 정도 유지하는가?

주요 결과

• 제안된 범위공간 MIMO-NOMA는 특히 높은 사용자 부하 조건에서 기존의 범위공간 MIMO보다 최대 25% 더 높은 에너지 효율성을 확보한다.
• 반복 전력 할당 알고리즘이 10회 이내에 수렴함으로써 실용적 구현에 적합한 빠르고 안정적인 수렴 특성을 보였다.
• 스펙트럼 효율성이 10회 반복 후 안정화되어, 제안된 최적화 프레임워크의 효과성을 확인한다.
• 모든 사용자가 최소 요구 전송률(1 bit/s/Hz) 이상의 전송률을 확보함으로써 전력 할당 설계에서 성공적인 공정성 확보가 이루어졌다.
• 50명의 동시 사용자 처리 조건에서도 높은 성능을 유지하며, 높은 사용자 밀도 조건에서 기존의 범위공간 MIMO를 능가한다.
• 사용자 수가 증가할수록 각 빔에서의 효율적 다중 사용자 다중화로 인해 범위공간 MIMO-NOMA의 합산 속도 향상 폭이 증가한다.