[论文解读] A Multi-Beam NOMA Framework for Hybrid mmWave Systems

Zhiqiang Wei, Lou Zhao+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 23, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 19被引用 3

一句话总结

该论文提出了一种用于混合毫米波（mmWave）系统的多波束非正交多址接入（NOMA）框架，采用波束分裂技术从单个射频（RF）链路生成多个模拟波束，从而实现对不同离开角（AoD）用户的并行传输。该方案在高信噪比（SNR）和大规模阵列条件下，其频谱效率优于单波束NOMA和时分多址接入（TDMA），并通过解析条件证明了其性能优势。

ABSTRACT

In this paper, we propose a multi-beam non-orthogonal multiple access (NOMA) framework for hybrid millimeter wave (mmWave) systems. The proposed framework enables the use of a limited number of radio frequency (RF) chains in hybrid mmWave systems to accommodate multiple users with various angles of departures (AODs). A beam splitting technique is introduced to generate multiple analog beams to facilitate NOMA transmission. We analyze the performance of a system when there are sufficient numbers of antennas driven by a single RF chain at each transceiver. Furthermore, we derive the sufficient and necessary conditions of antenna allocation, which guarantees that the proposed multi-beam NOMA scheme outperforms the conventional time division multiple access (TDMA) scheme in terms of system sum-rate. The numerical results confirm the accuracy of the developed analysis and unveil the performance gain achieved by the proposed multi-beam NOMA scheme over the single-beam NOMA scheme.

研究动机与目标

• 解决混合mmWave系统中由于RF链路数量有限而导致的用户复用能力受限问题。
• 克服传统正交多址接入（OMA）和单波束NOMA在mmWave频段中的局限性，其中窄波束限制了用户分组的灵活性。
• 通过每RF链路生成多个模拟波束，利用空间复用实现混合mmWave系统中灵活、高容量的多用户接入。
• 推导出天线分配的解析条件，确保系统和速率优于TDMA。
• 在频谱效率和用户角度分布鲁棒性方面，证明多波束NOMA优于单波束NOMA和TDMA。

提出的方法

• 提出一种波束分裂技术，将整个阵列划分为多个子阵列，每个子阵列独立生成一个模拟波束。
• 每个NOMA组分配一个RF链路，每组通过多个模拟波束服务具有不同离开角（AOD）的用户。
• 在NOMA组内对用户采用等功率分配，并在TDMA基准方案中采用等时隙分配，以保证公平比较。
• 在大规模阵列和高SNR条件下，推导系统和速率的渐近表达式，以分析理想条件下的性能。
• 建立天线分配的充分必要条件（通过公式22和30），确保多波束NOMA方案在和速率上优于TDMA。
• 通过在不同发射功率和用户信道增益比条件下进行仿真，验证分析结果的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否设计一种多波束NOMA框架，仅使用单个RF链路在混合mmWave系统中支持具有任意AOD的多个用户？
• RQ2 在天线分配方面，存在哪些充分且必要的条件，可保证所提出的多波束NOMA方案在和速率上优于TDMA？
• RQ3 在实际mmWave信道条件下，所提出的多波束NOMA方案在频谱效率方面与单波束NOMA和TDMA相比表现如何？
• RQ4 系统和速率在多大程度上随每波束的天线数和发射功率增加而提升？
• RQ5 渐近分析在高SNR、大规模阵列条件下，能否准确预测多波束NOMA相对于TDMA的性能增益？

主要发现

• 仿真和渐近分析均证实，所提出的多波束NOMA方案的系统和速率随最强用户分配的天线数（$M_1$）单调增加。
• 推导出的天线分配条件（公式30）能准确预测多波束NOMA在和速率上优于TDMA的$M_1$阈值。
• 随着发射功率（$p_{ ext{max}}$）增加，多波束NOMA相对于TDMA的性能增益保持恒定，表明在高SNR下，增益主要由空间复用和信道增益差异决定。
• 与基准的单波束NOMA方案相比，所提出的多波束NOMA因能够同时服务具有不同AOD的用户而实现了显著的性能增益。
• 仿真结果证实了渐近分析的准确性，理论预测与实际结果在和速率及性能阈值方面高度吻合。
• 多波束NOMA的系统和速率随用户间信道增益差异的增大而提升，表明功率域复用能有效利用信道强度差异。