[论文解读] Random Beamforming in Millimeter-Wave NOMA Networks

Z. Ding, P. Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2016

Millimeter-Wave Propagation and Modeling被引用 13

一句话总结

本文提出了一种用于毫米波非正交多址接入（mmWave-NOMA）网络的随机波束成形方案，通过避免在基站获取完整的信道状态信息（CSI），以降低反馈开销。通过利用方向性毫米波传播特性与随机几何方法，该方案实现了高 spectral efficiency 和中断性能；其中，一位反馈使开销显著降低，同时通过最优阈值设计保持了完整的分集增益。

ABSTRACT

This paper investigates the coexistence between two key enabling technologies for the fifth generation (5G) mobile networks, non-orthogonal multiple access (NOMA) and millimeter-wave (mmWave) communications. Particularly, the application of random beamforming to the addressed mmWave-NOMA scenario is considered in this paper, in order to avoid the requirement that the base station knows all the users' channel state information. Stochastic geometry is used to characterize the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission scheme, by using the key features of mmWave systems, e.g., mmWave transmission is highly directional and potential blockages will thin the user distribution. Two random beamforming approaches which can further reduce the system overhead are also proposed to the addressed mmWave-NOMA communication scenario, where their performance is studied by developing analytical results about sum rates and outage probabilities. Simulation results are also provided to demonstrate the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission schemes and verify the accuracy of the developed analytical results.

研究动机与目标

• 解决 mmWave-NOMA 系统中因通常需要完整信道状态信息（CSI）而导致的高反馈开销问题。
• 利用毫米波传播的方向性特征与遮挡效应，减少需要反馈的用户数量。
• 设计低反馈波束成形策略——部分 CSI 与一位反馈——以最小化系统开销，同时保持性能。
• 利用随机几何方法对用户分布与干扰进行建模，解析表征和速率与中断概率。
• 证明在部分 CSI 条件下，由于有利的用户配对，有限反馈方案可优于完美 CSI 方案。

提出的方法

• 应用随机几何方法对 mmWave 网络中的用户分布进行建模，同时考虑路径损耗、阴影衰落与遮挡效应。
• 采用单波束随机波束成形，避免完整 CSI 反馈，依赖用户距离或一位反馈进行调度。
• 提出一种部分 CSI 方案，用户仅反馈基于距离的路径损耗，从而实现按路径损耗排序而非有效信道增益排序。
• 设计一位反馈方案，用户仅报告其信道质量是否超过某一阈值，将反馈量减少至每位用户一位。
• 分析反馈阈值对用户配对与分集增益的影响，表明最优阈值选择可为强用户保留完整分集增益。
• 通过波束角分离与波束图方向性建模波束间干扰，表明窄波束宽度（Δ = 0.01，约 4° 波束宽度）可实现有效抑制。

实验结果

研究问题

• RQ1 随机波束成形是否能在不牺牲 spectral efficiency 或中断性能的前提下降低 mmWave-NOMA 中的反馈开销？
• RQ2 基于路径损耗（距离）的部分 CSI 在 mmWave-NOMA 中与完整 CSI 相比，对系统性能有何影响？
• RQ3 一位反馈对 mmWave-NOMA 中用户配对与分集增益有何影响？是否可保留完整分集增益？
• RQ4 反馈阈值的选择如何影响一位反馈方案的性能与可靠性？
• RQ5 由于在部分 CSI 条件下用户配对更优，有限反馈方案是否可在 mmWave-NOMA 中优于完美 CSI 方案？

主要发现

• 一位反馈方案中强用户的分集增益是用户数 K 的递增函数，而弱用户的分集增益保持恒定为 1。
• 通过合理设计阈值，一位反馈方案可为强用户实现完整分集增益，确保可靠性能。
• 当最差用户与第二差用户被配对时，一位反馈方案的和速率可超过完美 CSI 方案，这是由于在部分 CSI 条件下实现了有利的用户配对。
• 由于毫米波波束的方向性，波束间干扰显著受到抑制，尤其在窄波束宽度（Δ = 0.01）条件下，可实现有效的多波束操作。
• mmWave-NOMA 在和速率与中断概率方面均优于 mmWave-OMA，NOMA 在高发射功率下可使强用户实现零中断概率，而 OMA 则不能。
• 仿真结果验证了基于随机几何的性能模型分析结果的准确性，证实了和速率与中断概率表达式的推导正确性。