[论文解读] Millimeter-Wave NOMA with User Grouping, Power Allocation and Hybrid Beamforming

Lipeng Zhu, Jun Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jul 30, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 39被引用 6

一句话总结

本文提出了一种毫米波非正交多址接入（mmWave-NOMA）的联合用户分组、混合波束成形与功率分配框架，旨在在服务质量约束下最大化和速率。通过利用K-means聚类进行用户分组、近似零迫数字波束成形，以及边界压缩粒子群优化算法（BC-PSO）求解模拟波束成形，该方案在频谱效率和能量效率方面均优于传统的mmWave-OMA和全数字MIMO系统。

ABSTRACT

This paper investigates the application of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA). Particularly, we consider downlink transmission with a hybrid beamforming structure. A user grouping algorithm is first proposed according to the channel correlations of the users. Whereafter, a joint hybrid beamforming and power allocation problem is formulated to maximize the achievable sum rate, subject to a minimum rate constraint for each user. To solve this non-convex problem with high-dimensional variables, we first obtain the solution of power allocation under arbitrary fixed hybrid beamforming, which is divided into intra-group power allocation and inter-group power allocation. Then, given arbitrary fixed analog beamforming, we utilize the approximate zero-forcing method to design the digital beamforming to minimize the inter-group interference. Finally, the analog beamforming problem with the constant-modulus constraint is solved with a proposed boundary-compressed particle swarm optimization algorithm. Simulation results show that the proposed joint approach, including user grouping, hybrid beamforming and power allocation, outperforms the state-of-the-art schemes and the conventional mmWave orthogonal multiple access system in terms of achievable sum rate and energy efficiency.

研究动机与目标

• 为解决mmWave-OMA系统中用户复 multiplexing 能力受限的问题，即由于射频链路限制，每个资源块仅能服务一个用户。
• 通过将NOMA与混合波束成形（HBF）结合，提升毫米波通信中的频谱与能量效率，实现在每个资源块服务多个用户。
• 在最小速率约束下，联合优化用户分组、功率分配与混合波束成形，以最大化可实现的和速率。
• 针对包含高维变量与恒模约束的非凸联合优化问题，设计一种低复杂度、次优的解决方案。

提出的方法

• 提出一种基于K-means的用户分组算法，利用信道相关性形成用户组，使组内用户具有相似的信道响应，从而实现高效的NOMA聚类。
• 对于固定混合波束成形，将功率分配问题分解为组内与组间功率分配子问题，通过拉格朗日松弛法与KKT条件求解。
• 在固定模拟波束成形的前提下，采用近似零迫方法设计数字波束成形，以抑制组间干扰。
• 提出一种边界压缩粒子群优化（BC-PSO）算法，用于求解恒模模拟波束成形问题，提升收敛速度与解的质量。
• 整体框架通过交替优化功率分配与波束成形，迭代提升在速率约束下的和速率。
• 该算法设计具有计算高效性，同时保持高性能，适用于实际的mmWave-NOMA部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于信道相关的用户分组如何提升mmWave-NOMA系统的频谱效率？
• RQ2 在混合波束成形下，NOMA用户组内与组间最优的功率分配策略是什么？
• RQ3 如何设计数字波束成形以最小化组间干扰，同时支持每波束多用户？
• RQ4 在高维、非凸设置下，如何高效优化具有恒模约束的模拟波束成形？
• RQ5 所提出的联合优化方案相较于传统mmWave-OMA与全数字MIMO系统，在和速率与能量效率方面实现了哪些性能增益？

主要发现

• 所提出的mmWave-NOMA方案在和速率方面优于传统mmWave-OMA，尤其在高用户密度场景下表现更优。
• 用户分组、功率分配与混合波束成形的联合优化显著提升了频谱效率，实现了每个资源块的多用户复用。
• 所提出的BC-PSO算法有效解决了恒模模拟波束成形问题，实现了更高的波束成形增益与更强的干扰抑制能力。
• 与全数字MIMO相比，该系统展现出更优的能量效率，具有更低的硬件成本与功耗。
• 仿真结果证实，所提方案在和速率与能量效率方面均优于基准方案，即使计算复杂度有所增加。
• 在固定波束成形条件下，组内与组间功率分配策略被证明为最优，分析证明基于KKT条件与反证法。