[论文解读] User Fairness Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) for 5G Millimeter-Wave Communications with Analog Beamforming

Zhenyu Xiao, Lipeng Zhu+3 more|arXiv (Cornell University)|Nov 7, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用户公平性感知的非正交多址接入（NOMA）方案，适用于采用模拟波束成形的5G毫米波（mmWave）网络，通过联合优化波束成形与功率分配，以最大化最小用户速率（即最大-最小公平性）。通过利用角度域的稀疏性并推导出闭式功率分配方案，该方法实现了接近最优的频谱效率，在公平性和和速率方面显著优于传统的mmWave-OMA系统。

ABSTRACT

The integration of non-orthogonal multiple access in millimeter-Wave communications (mmWave-NOMA) can significantly improve the spectrum efficiency and increase the number of users in the fifth-generation (5G) mobile communication. In this paper we consider a downlink mmWave-NOMA cellular system, where the base station is mounted with an analog beamforming phased array, and multiple users are served in the same time-frequency resource block. To guarantee user fairness, we formulate a joint beamforming and power allocation problem to maximize the minimal achievable rate among the users, i.e., we adopt the max-min fairness. As the problem is difficult to solve due to the non-convex formulation and high dimension of the optimization variables, we propose a sub-optimal solution, which makes use of the spatial sparsity in the angle domain of the mmWave channel. In the solution, the closed-form optimal power allocation is obtained first, which reduces the joint optimization problem into an equivalent beamforming problem. Then an appropriate beamforming vector is designed. Simulation results show that the proposed solution can achieve a near-upper-bound performance in terms of achievable rate, which is significantly better than that of the conventional mmWave orthogonal multiple access (mmWave-OMA) system.

研究动机与目标

• 为解决mmWave-OMA中的用户公平性限制问题，通过引入NOMA以提升频谱效率与用户容量。
• 在仅配备单个射频链的下行链路mmWave-NOMA系统中，联合优化波束成形与功率分配。
• 在硬件约束与非凸优化条件下，最大化所有用户中可达到的最小速率（即最大-最小公平性）。
• 设计一种次优解，利用角度域的信道稀疏性以降低计算复杂度。

提出的方法

• 建立一个非凸联合波束成形与功率分配问题，以在总功率与单个射频链约束下最大化最小用户速率。
• 利用mmWave信道在角度域的稀疏性，简化优化过程并降低问题维度。
• 推导出闭式最优功率分配方案，将联合优化问题转化为仅波束成形的优化问题。
• 基于最强用户信道方向设计有效的波束成形向量，以增强公平性与系统性能。
• 在用户端采用连续干扰消除（SIC），并按用户信道增益递增顺序进行解码。
• 证明所推导的功率分配方案可使所有用户实现相等速率，并在最大-最小公平性准则下达到最优。

实验结果

研究问题

• RQ1 NOMA能否在采用模拟波束成形的mmWave系统中有效应用，以提升公平性与频谱效率？
• RQ2 在单射频链与模拟波束成形约束下，如何在mmWave-NOMA系统中最大化用户公平性？
• RQ3 在采用SIC的mmWave-NOMA下行链路中，实现最大-最小公平性的最优功率分配策略是什么？
• RQ4 如何通过利用角度域稀疏性来提升波束成形与功率分配的性能与可处理性？
• RQ5 与理论上限相比，所提出的次优解能否实现接近最优的性能？

主要发现

• 所提方法在可实现速率方面实现了接近最优的性能，紧密逼近理论上限。
• 闭式功率分配确保所有用户实现相等速率，满足最大-最小公平性准则。
• 仿真结果表明，与传统mmWave-OMA相比，系统在公平性与频谱效率方面均有显著增益。
• 与正交多址接入方案相比，系统实现了更高的和速率与更优的中断性能。
• 基于最强用户信道方向设计的波束成形方案有效提升了公平性与系统鲁棒性。
• 该方案在功率与硬件约束下保持可行性，总功耗未超过预算。