[论文解读] Spectrum and Energy Efficient Beamspace MIMO-NOMA for Millimeter-Wave Communications Using Lens Antenna Array

Bichai Wang, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 21, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 26被引用 13

一句话总结

该论文提出了一种波束域MIMO-NOMA方案，这是一种频谱效率与能量效率均较高的毫米波传输方案，通过将非正交多址接入（NOMA）与波束域MIMO结合，支持的用户数超过射频链路数量。通过在功率域上实现每波束的多用户复用，并采用基于零 forcing（ZF）的预编码与迭代功率分配，该方案的能量效率相比传统波束域MIMO最高提升25%。

ABSTRACT

The recent concept of beamspace multiple input multiple output (MIMO) can significantly reduce the number of required radio-frequency (RF) chains in millimeter-wave (mmWave) massive MIMO systems without obvious performance loss. However, the fundamental limit of existing beamspace MIMO is that, the number of supported users cannot be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. To break this fundamental limit, in this paper we propose a new spectrum and energy efficient mmWave transmission scheme that integrates the concept of non-orthogonal multiple access (NOMA) with beamspace MIMO, i.e., beamspace MIMO-NOMA. By using NOMA in beamspace MIMO systems, the number of supported users can be larger than the number of RF chains at the same time-frequency resources. Particularly, the achievable sum rate of the proposed beamspace MIMO-NOMA in a typical mmWave channel model is analyzed, which shows an obvious performance gain compared with the existing beamspace MIMO. Then, a precoding scheme based on the principle of zero-forcing (ZF) is designed to reduce the inter-beam interferences in the beamspace MIMO-NOMA system. Furthermore, to maximize the achievable sum rate, a dynamic power allocation is proposed by solving the joint power optimization problem, which not only includes the intra-beam power optimization, but also considers the inter-beam power optimization. Finally, an iterative optimization algorithm with low complexity is developed to realize the dynamic power allocation. Simulation results show that the proposed beamspace MIMO-NOMA can achieve higher spectrum and energy efficiency compared with existing beamspace MIMO.

研究动机与目标

• 解决波束域MIMO的根本局限性，即支持的用户数不能超过射频链路数量。
• 通过NOMA技术在毫米波系统中支持超过射频链路数量的用户，实现大规模连接。
• 通过利用透镜天线阵列将NOMA与波束域MIMO结合，提升毫米波MIMO系统的频谱与能量效率。
• 设计一种低复杂度的迭代功率分配算法，联合优化波束内与波束间功率分配，以最大化系统吞吐量。
• 通过在功率分配设计中引入最小数据速率约束，确保用户公平性。

提出的方法

• 利用透镜天线阵列将NOMA与波束域MIMO结合，实现在毫米波频段的空域复用与波束成形增益。
• 在波束域应用零 forcing（ZF）预编码，通过设计波束特定的等效信道向量来抑制波束间干扰。
• 建立联合功率分配问题，以同时优化波束内与波束间功率分配，从而最大化可实现的总吞吐量。
• 开发一种低复杂度的迭代优化算法，以求解非凸联合功率分配问题。
• 采用具有稀疏性与波束相关性的实际毫米波信道模型，评估系统性能。
• 引入实际硬件能量模型，包括射频链路、开关与基带处理的功耗，以计算能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 NOMA能否有效集成到波束域MIMO中，从而突破射频链路数量对用户容量的限制？
• RQ2 与传统波束域MIMO相比，所提出的波束域MIMO-NOMA在总吞吐量与频谱效率方面表现如何？
• RQ3 在波束域MIMO-NOMA中，动态功率分配对干扰抑制与系统总吞吐量有何影响？
• RQ4 在实际硬件约束下，波束域MIMO-NOMA的能量效率与全数字MIMO及传统波束域MIMO相比如何？
• RQ5 在支持用户数超过射频链路数量的前提下，该方案在多用户公平性方面表现如何？

主要发现

• 所提出的波束域MIMO-NOMA相比传统波束域MIMO，能量效率最高提升25%，尤其在高用户负载下表现更优。
• 迭代功率分配算法在10次迭代内收敛，表明其具有快速且稳定的收敛特性，适合实际部署。
• 频谱效率在10次迭代后趋于稳定，证实了所提优化框架的有效性。
• 所有用户均达到高于最小要求速率（1 bit/s/Hz）的数据速率，表明功率分配设计中成功实现了公平性保障。
• 即使在同时服务50个用户的情况下，系统仍保持高性能，优于传统波束域MIMO在高用户密度下的表现。
• 随着用户数增加，波束域MIMO-NOMA的总吞吐量增益持续提升，得益于每波束高效的多用户复用。