[论文解读] NOMA Meets Finite Resolution Analog Beamforming in Massive MIMO and Millimeter-Wave Networks

Zhiguo Ding, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 28, 2017

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新颖的非正交多址（NOMA）传输方案，该方案在大规模MIMO和毫米波（mmWave）网络中利用有限分辨率模拟波束成形（FRAB），由于相位偏移受限导致波束对准误差，多个用户共享同一波束成形器。该方案利用FRAB固有的波束对准误差，通过功率域NOMA实现多用户复用，实现了高 spectral efficiency 和分集增益，并通过理论中断性能分析和仿真验证了其性能。

ABSTRACT

Finite resolution analog beamforming (FRAB) has been recognized as an effective approach to reduce hardware costs in massive multiple-input multiple-output (MIMO) and millimeter-wave networks. However, the use of FRAB means that the beamformers are not perfectly aligned with the users' channels and multiple users may be assigned similar or even identifical beamformers. This letter shows how non-orthogonal multiple access (NOMA) can be used to exploit this feature of FRAB, where a single FRAB based beamformer is shared by multiple users. Both analytical and simulation results are provided to demonstrate the excellent performance achieved by this new NOMA transmission scheme.

研究动机与目标

• 解决有限分辨率模拟波束成形（FRAB）在大规模MIMO和毫米波系统中导致的性能损失问题。
• 将FRAB中固有的波束对准误差视为一种优势而非缺陷，用于多用户接入。
• 设计一种NOMA传输方案，使多个用户即使在信道正交性受限的情况下也能共享同一FRAB波束成形器。
• 推导在FRAB-NOMA下中断概率和分集增益的解析表达式。
• 通过仿真和解析近似验证所提方案的性能增益。

提出的方法

• 系统模型考虑下行链路NOMA场景，包含两组用户：在𝒮₁中的QoS约束用户和在𝒮₂中的机会用户。
• FRAB通过有限的相位偏移集合实现（例如，Nq = 2 表示一位分辨率），波束成形器选择基于最小化相位误差与用户信道相位的匹配度。
• 有效信道增益建模为波束成形器-信道相关性的模平方，分解为实部和虚部以供分析。
• 当Nq = 2时，信道增益表示为两个独立高斯分量模平方的和，从而可推导出有效增益的累积分布函数（CDF）和概率密度函数（PDF）。
• 采用平方高斯变量之和的渐近近似，推导出中断概率和分集增益的表达式。
• 通过瑞利衰落和含视 Line-of-Sight（LoS）分量的毫米波信道模型下的仿真，验证了理论分析的正确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 有限分辨率模拟波束成形通常被视为性能限制因素，能否被利用以在大规模MIMO和毫米波网络中实现多用户接入？
• RQ2 一种在多个用户间共享FRAB波束成形器的NOMA方案，其中断性能和分集增益如何？
• RQ3 与传统的数字波束成形相比，所提出的FRAB-NOMA方案在频谱效率和可靠性方面表现如何？
• RQ4 波束对准误差对FRAB系统中用户分集增益的理论影响是什么？
• RQ5 在FRAB下，有效信道增益CDF的推导渐近表达式的准确性如何？

主要发现

• 所提出的FRAB-NOMA方案通过有限相位分辨率引起的波束对准误差，使多个用户能够共享同一波束成形器，从而实现高谱效率。
• 对于一位模拟波束成形（Nq = 2），有效信道增益被建模为两个独立平方高斯变量之和，从而支持中断和分集增益的解析分析。
• 推导出的中断概率表达式通过仿真得到验证，结果与理论近似高度一致，尤其在低信噪比（SNR）下表现良好。
• 系统分集增益被解析推导，并显示与天线数M成正比，表明其对衰落具有鲁棒性。
• 所推导的分集增益解析结果同样适用于无NOMA的传统MIMO系统，为理解FRAB导致的性能损失提供了洞见。
• 仿真结果证实，FRAB-NOMA方案在频谱效率方面优于传统正交多址接入，尤其在毫米波和大规模MIMO场景中表现更优。