[论文解读] Joint Power Allocation and Beamforming for Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Millimeter-Wave Communications

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 6

一句话总结

本文提出了一种针对2用户毫米波-NOMA系统的次优联合波束成形与功率分配方案，旨在在模拟波束成形约束下最大化和速率。通过将非凸问题分解为功率/波束增益分配与恒模波束成形子问题，该方法实现了接近最优的和速率性能，显著优于TDMA，并展现出向多用户场景扩展的潜力。

ABSTRACT

In this paper we explore non-orthogonal multiple access (NOMA) in millimeter-wave (mmWave) communications (mmWave-NOMA). In particular, we consider a typical problem, i.e., maximization of the sum rate of a 2-user mmWave-NOMA system. In this problem, we need to find the beamforming vector to steer towards the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, while allocating appropriate power to them. As the problem is non-convex and may not be converted to a convex problem with simple manipulations, we propose a suboptimal solution to this problem. The basic idea is to decompose the original joint beamforming and power allocation problem into two sub-problems which are relatively easy to solve: one is a power and beam gain allocation problem, and the other is a beamforming problem under a constant-modulus constraint. Extension of the proposed solution from 2-user mmWave-NOMA to more-user mmWave-NOMA is also discussed. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results also show that the proposed sub-optimal solution achieve close-to-bound sum-rate performance, which is significantly better than that of time-division multiple access (TDMA).

研究动机与目标

• 解决在模拟波束成形约束下最大化2用户毫米波-NOMA系统和速率的挑战。
• 通过将毫米波-NOMA中联合波束成形与功率分配的非凸问题分解为可处理的子问题，克服其非凸性。
• 在射频链数量限制导致正交方案中用户复用受限的毫米波系统中，实现高效的多用户支持。
• 证明NOMA可通过利用用户信道相关性和功率域复用，在毫米波系统中显著优于传统TDMA。
• 将所提方案扩展至多用户毫米波-NOMA场景，并验证其可扩展性。

提出的方法

• 将联合波束成形与功率分配问题分解为两个子问题：功率与波束增益分配，以及在固定波束成形模式下的恒模波束成形问题。
• 采用次优迭代方法求解在波束成形器元素具有单位模值（恒模约束）条件下的波束成形问题。
• 在接收端应用连续干扰消除（SIC）以解码功率域中的用户，从而实现在同一资源块上同时传输。
• 采用归一化波束成形器设计，通过将最优波束成形器与具有同相元件的候选波束成形器进行比较，推导收敛边界。
• 引入基于扰动的分析，证明在特定条件下最优波束成形器的所有元素必须具有相等的模值，从而确保波束成形器的最优性。
• 利用复向量范数不等式与相位对齐推导波束成形器性能的理论边界，确保收敛至接近最优解。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管优化问题具有非凸性，毫米波-NOMA中的联合波束成形与功率分配能否实现接近最优的和速率？
• RQ2 如何对波束成形设计进行约束，以匹配具有有限射频链数的实际模拟波束成形硬件？
• RQ3 在实际硬件约束下，毫米波-NOMA相较于传统TDMA在和速率方面能获得多大的性能增益？
• RQ4 毫米波频段中用户信道相关性如何影响NOMA传输的可行性和性能？
• RQ5 所提出的次优解能否扩展至支持毫米波-NOMA系统中超过两个用户？

主要发现

• 所提出的次优方案实现了非常接近理论上限的和速率性能，表现出接近最优的效率。
• 所提毫米波-NOMA方案的和速率显著高于时分多址（TDMA）方案，尤其在高用户密度场景下优势更为明显。
• 具有恒模约束的波束成形设计保持了高谱效率，即使在射频链数量有限的情况下也表现出有效性。
• 理论分析证实，在推导出的条件下最优波束成形器的所有元素必须具有相等的模值，从而验证了设计选择的合理性。
• 该方法可扩展至多用户毫米波-NOMA系统，当用户数超过射频链数时，性能增益随之增加。
• 所提方案与最优方案之间的性能差距是受约束的，并随着阵列尺寸的增加而减小，表明具有强鲁棒性。