[论文解读] Millimeter-Wave Communication with Non-Orthogonal Multiple Access for 5G

Zhenyu Xiao, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Sep 23, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 14

一句话总结

本文研究了毫米波非正交多址接入（mmWave-NOMA）中的波束成形技术，提出多波束和混合波束成形策略，以克服用户角度分离导致的性能下降问题。研究结果表明，通过联合优化功率分配、波束成形和用户配对，可显著提升系统容量与鲁棒性，尤其在具有多天线阵列和混合预编码结构的多用户场景中表现突出。

ABSTRACT

To further improve the system capacity for 5G, we explore the integration of non-orthogonal multiple access (NOMA) in mmWave communications (mmWave-NOMA) for future 5G systems. Compared with the conventional NOMA, the distinguishing feature of mmWave-NOMA is that, it is usually characterized by transmit/receive beamforming with large antenna arrays. In this paper, we focus on the design challenges of mmWave-NOMA due to beamforming. Firstly, we study how beamforming affects the sum-rate performance of mmWave-NOMA, and find that with conventional single-beam forming, the performance may be offset by the relative angle between NOMA users. Then, we consider multi-beam forming for mmWave-NOMA, which is shown to be able to achieve promising performance enhancement as well as robustness. We further investigate the challenging joint design of the intertwined power allocation and user pairing for mmWave-NOMA. We also discuss the challenges and propose some potential solutions in detail. Finally, we consider hybrid spatial division multiple access (SDMA) and NOMA in mmWave communications, where some possible system configurations and the corresponding solutions are discussed to address the multi-user issues including multi-user precoding and multi-user interference (MUI) mitigation.

研究动机与目标

• 解决在使用传统单波束成形时，由于用户间角度分离导致毫米波-NOMA系统容量性能下降的挑战。
• 克服在毫米波-NOMA中波束成形、功率分配与用户配对联合设计的复杂性，这些因素因大规模阵列的定向波束成形而相互耦合。
• 为毫米波通信中的混合空间复用多址接入（SDMA）与NOMA提出实用的系统配置，以管理多用户干扰（MUI）并提升频谱效率。
• 研究在混合波束成形毫米波-NOMA中忽略MUI与抑制MUI之间的权衡，据此提出两种基于MUI影响的系统模式。
• 为毫米波-NOMA提供设计指南与优化技术，包括问题分解、交替优化方法，以及波束成形与功率分配联合优化的次优解法。

提出的方法

• 采用相控阵列的多波束成形技术，同时服务多个NOMA用户，相比单波束成形，可显著提升系统容量与鲁棒性。
• 建立功率分配与波束成形的联合优化问题，利用问题分解与交替优化方法，求解次优解。
• 提出两种系统配置：模式1（独立模拟波束成形毫米波-NOMA）适用于MUI较小的场景，模式2（过载SDMA或混合波束成形）适用于MUI较大的场景。
• 采用混合预编码（数字与模拟波束成形）技术，实现数字预编码、模拟预编码与功率分配的联合设计，提升在干扰环境下的系统性能。
• 利用子阵列结构与优化技术，管理毫米波-NOMA中多波束成形与混合波束成形带来的复杂性增加问题。
• 在功率域中应用连续干扰消除（SIC），以区分NOMA用户，实现在同一资源块上的同时传输。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户在角度上存在分离时，波束成形（尤其是单波束成形）对毫米波-NOMA系统容量性能有何影响？
• RQ2 多波束成形能否提升毫米波-NOMA的容量与鲁棒性？与单波束成形相比，其设计挑战是什么？
• RQ3 考虑到定向传输导致的波束成形与功率分配之间的强耦合性，如何在毫米波-NOMA中实现两者的联合优化？
• RQ4 用户配对对波束成形与功率分配有何影响？在波束成形约束下，如何实现最优配对？
• RQ5 在毫米波系统中，应在何种条件下采用混合SDMA与NOMA？如何联合设计数字与模拟预编码以抑制多用户干扰？

主要发现

• 在毫米波-NOMA中，传统单波束成形因NOMA用户间角度分离而可能降低系统容量性能，尤其当用户未对准波束方向时更为明显。
• 多波束成形通过实现对多个用户的同步波束赋形，即使存在角度分离，也能显著提升系统容量与鲁棒性。
• 在毫米波-NOMA中，联合优化功率分配与波束成形至关重要；通过问题分解与交替优化方法，可获得次优但实用的解决方案。
• 在毫米波-NOMA中，用户配对并非独立于波束成形与功率分配；波束成形的方向性显著影响配对增益与系统性能。
• 当多用户干扰（MUI）可忽略时，系统可配置为独立模拟波束成形毫米波-NOMA（模式1），从而简化设计。
• 当MUI显著时，系统必须采用混合波束成形结构（模式2），需联合优化数字预编码、模拟预编码与功率分配，以抑制干扰并最大化频谱效率。