[论文解读] Joint Tx-Rx Beamforming and Power Allocation for 5G Millimeter-Wave Non-Orthogonal Multiple Access (MmWave-NOMA) Networks

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 25被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于5G毫米波-NOMA网络的联合发信端-收信端波束成形与功率分配方案，旨在在用户速率约束下最大化和速率。该方案采用三阶段次优方法：闭式最优功率分配、闭式最优接收波束成形，以及用于发射波束成形的边界压缩粒子群优化（BC-PSO），在显著优于毫米波-OMA和现有先进方案的前提下，实现了接近最优的和速率性能。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the combination of non-orthogonal multiple access and millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). A downlink cellular system is considered, where an analog phased array is equipped at both the base station and users. A joint Tx-Rx beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate (ASR) subject to a minimum rate constraint for each user. As the problem is non-convex, we propose a sub-optimal solution with three stages. In the first stage, the optimal power allocation with a closed form is obtained for an arbitrary fixed Tx-Rx beamforming. In the second stage, the optimal Rx beamforming with a closed form is designed for an arbitrary fixed Tx beamforming. In the third stage, the original problem is reduced to a Tx beamforming problem by using the previous results, and a boundary-compressed particle swarm optimization (BC-PSO) algorithm is proposed to obtain a sub-optimal solution. Extensive performance evaluations are conducted to verify the rational of the proposed solution, and the results show that the proposed sub-optimal solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of ASR, which is significantly improved compared with those of the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

研究动机与目标

• 解决在射频链路数量有限和定向波束成形条件下，最大化5G毫米波-NOMA系统频谱效率的挑战。
• 制定一个非凸优化问题，以在个体用户速率约束下最大化可实现和速率（ASR）。
• 设计一种次优解法，将联合优化问题分解为可处理的阶段，以实现实际应用。
• 克服混合式模拟-数字波束成形毫米波系统中联合波束成形与功率分配的复杂性。
• 在和速率与频谱效率方面，显著优于传统毫米波-OMA和现有NOMA方案。

提出的方法

• 第一阶段：针对任意固定的发信端-收信端波束成形，推导闭式最优功率分配，通过解析方法求解功率分配子问题。
• 第二阶段：针对任意固定的发射波束成形，设计闭式最优接收波束成形器，利用干扰加噪声协方差的结构特性。
• 第三阶段：通过代入前期结果，将原始问题简化为发射波束成形优化问题，采用边界压缩粒子群优化（BC-PSO）算法求解。
• 采用BC-PSO算法处理发射波束成形问题的非凸性，确保在高维搜索空间中的收敛性与性能提升。
• 在波束成形与功率分配设计中集成连续干扰消除（SIC）原理，与NOMA的功率域多址接入保持一致。
• 采用混合式模拟-数字波束成形架构，基站与用户设备均使用相控阵，反映实际毫米波硬件约束。

实验结果

研究问题

• RQ1 在射频链路数量有限的毫米波-NOMA系统中，如何联合优化发信端-收信端波束成形与功率分配以最大化和速率？
• RQ2 对于给定的波束成形配置，毫米波-NOMA中的最优功率分配策略是什么？能否以闭式形式推导？
• RQ3 在发射波束成形固定的情况下，接收波束成形器能否独立优化？其闭式表达式是什么？
• RQ4 如何以低复杂度高效求解发射波束成形的剩余非凸优化问题？
• RQ5 所提出的方案在和速率与频谱效率方面，相较于毫米波-OMA和现有NOMA方案，性能提升程度如何？

主要发现

• 所提出的三阶段次优解法在可实现和速率（ASR）方面接近理论上限性能，展现出强大的实际可行性。
• 闭式功率分配与接收波束成形解法相比暴力搜索或迭代方法，显著降低了计算复杂度。
• 边界压缩粒子群优化（BC-PSO）算法能有效收敛至非凸发射波束成形问题的高质量解。
• 所提方案在和速率方面显著优于传统毫米波-OMA系统，验证了NOMA与毫米波通信之间的协同增益。
• 大量仿真结果表明，该方案在最大化和速率的同时，始终满足所有用户速率约束，性能接近理论上限。
• 由于采用定向波束成形与SIC实现的干扰管理，该方法在实际毫米波信道条件（如高路径损耗与空间稀疏性）下具有鲁棒性。