[论文解读] Joint Power Control and Beamforming for Uplink Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Millimeter-Wave Communications

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用 3

一句话总结

本文提出了一种针对单射频链路和恒模移相器的5G毫米波（mmWave）系统上行链路非正交多址接入（NOMA）的次优联合功率控制与波束成形方案。通过将非凸的和速率最大化问题分解为功率控制与波束成形子问题，该方法在满足用户个体速率约束的前提下，实现了接近最优的和速率性能。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of two key enabling technologies for the fifth generation (5G) wireless mobile communication, namely millimeter-wave (mmWave) communications and non-orthogonal multiple access (NOMA). In particular, we consider a typical 2-user uplink mmWave-NOMA system, where the base station (BS) equips an analog beamforming structure with a single RF chain and serves 2 NOMA users. An optimization problem is formulated to maximize the achievable sum rate of the 2 users while ensuring a minimal rate constraint for each user. The problem turns to be a joint power control and beamforming problem, i.e., we need to find the beamforming vectors to steer to the two users simultaneously subject to an analog beamforming structure, and meanwhile control appropriate power on them. As direct search for the optimal solution of the non-convex problem is too complicated, we propose to decompose the original problem into two sub-problems that are relatively easy to solve: one is a power control and beam gain allocation problem, and the other is an analog beamforming problem under a constant-modulus constraint. The rational of the proposed solution is verified by extensive simulations, and the performance evaluation results show that the proposed sub-optimal solution achieve a close-to-bound uplink sum-rate performance.

研究动机与目标

• 通过结合NOMA与波束成形，解决在毫米波系统中用户数超过射频链路数的挑战。
• 在个体速率约束下，建立一个非凸优化问题以最大化两用户上行链路毫米波-NOMA系统的和速率。
• 克服在毫米波系统中，受恒模约束的联合功率控制与模拟波束成形所带来的复杂性。
• 提出一种次优解法，将原始问题分解为可处理的子问题，以实现实际系统中的可行实现。
• 在实际硬件约束下，确保解的可行性并实现接近理论和速率上限的性能。

提出的方法

• 将联合功率控制与波束成形问题分解为两个子问题：在波束增益分配下的功率控制，以及受恒模约束的模拟波束成形。
• 采用恒模（CM）相控阵波束成形结构并仅使用单个射频链，以降低硬件成本与复杂度。
• 将波束成形问题建模为带有幅度与相位约束的约束优化问题。
• 在基站应用连续干扰 cancellation（SIC）技术，以解调不同功率等级的用户在上行链路NOMA中的信号。
• 优化波束成形向量，以最大化较强用户波束增益，同时确保较弱用户达到最低速率要求。
• 通过证明波束成形向量位于可行区域的外边界，验证解的最优性，从而在约束下实现最大增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在单射频链的两用户上行链路毫米波-NOMA系统中，如何优化联合功率控制与模拟波束成形？
• RQ2 与传统波束成形或固定功率分配相比，所提出的次优解法在性能上有哪些增益？
• RQ3 在个体用户速率约束下，所提方法能否实现接近理论和速率上限的和速率？
• RQ4 模拟波束成形的恒模约束如何影响联合优化的设计与性能？
• RQ5 用户信道相关性与波束对准对毫米波-NOMA系统可实现和速率有何影响？

主要发现

• 所提出的次优解法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。
• 较强用户波束成形向量被约束在可行区域的外边界，确保在功率与相位约束下实现最大波束增益。
• 通过分配足够的波束增益与功率，该方法确保了两个用户的最低速率要求，其中较弱用户恰好获得满足其速率约束所需的资源。
• 仿真结果证实，该分解方法在硬件限制下，能有效平衡和速率最大化与个体速率约束。
• 该方法对信道相关性具有鲁棒性，并在用户空间距离较近时仍能保持高 spectral efficiency，这得益于波束的定向性与功率域多复用技术。
• 理论分析证明，最优解位于可行区域的边界上，从而验证了将波束成形器幅度约束为 1/√N 的设计选择的合理性。