基于GSIC的上行鏈路毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)低功耗傳輸方法

王暉，邰其心，劉镠，王鴻，宋榮方

研究與開發(fā)

基于GSIC的上行鏈路毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)低功耗傳輸方法

王暉，邰其心，劉镠，王鴻，宋榮方

（南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003）

非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）和毫米波大規(guī)模多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）的結(jié)合能夠支持未來無線通信網(wǎng)絡(luò)的巨流量大連接需求。研究了上行鏈路毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)中的功率最小化問題，提出了基于群體串行干擾消除（group-level successive interference cancellation，GSIC）的混合波束成形毫米波MIMO-NOMA上行傳輸系統(tǒng)新架構(gòu)。具體來說，根據(jù)信道增益對(duì)用戶進(jìn)行群體劃分，不同群體用戶由NOMA服務(wù)，群體內(nèi)用戶采用空分多址區(qū)分。通過給不同群體設(shè)計(jì)模擬波束成形矩陣，對(duì)數(shù)字波束成形和功率控制進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，提出了一種并行迭代算法來解決優(yōu)化問題。仿真結(jié)果表明，所提出的新架構(gòu)在總功率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的基于分簇和用戶級(jí)串行干擾消除的毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA。

非正交多址接入；毫米波；大規(guī)模MIMO；混合波束成形

0 引言

毫米波通信被視為6G關(guān)鍵技術(shù)之一[1-2]。毫米波通信是指頻率在30～300 GHz范圍內(nèi)的電磁波，與傳統(tǒng)的6 GHz以下頻段通信相比，毫米波通信可以提供更大的帶寬，因此可以應(yīng)對(duì)未來無線通信系統(tǒng)爆炸性的容量需求。同時(shí)毫米波頻段擁有更短的波長(zhǎng)，而短波長(zhǎng)可以使得更多的天線封裝在相同空間中，更好地支持多輸入多輸出（multiple-input multiple-output，MIMO）系統(tǒng)，從而獲得更大的空間復(fù)用增益和分集增益。傳統(tǒng)的MIMO系統(tǒng)采用全數(shù)字波束成形接收器，這種方案要求每根天線都需要有一個(gè)專門的射頻（radio frequency，RF）鏈[3]，而在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用大量天線會(huì)導(dǎo)致所需要的RF鏈數(shù)大幅增加，這將造成高昂的硬件成本和巨大的能量消耗[4]。

為解決這個(gè)問題，已經(jīng)提出了混合波束成形（hybrid beamforming，HBF）技術(shù)，其中少量RF鏈與大量天線連接，可以顯著減少毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的RF鏈數(shù)目，且不會(huì)明顯地引起性能損失[5-7]。HBF的思想是將傳統(tǒng)的全數(shù)字信號(hào)處理分解為高維模擬信號(hào)處理（通過移相器實(shí)現(xiàn)）和低維的數(shù)字信號(hào)處理（由少量RF鏈完成）。在不損失太多性能的情況下實(shí)現(xiàn)了較高的天線陣列增益，降低了功耗。HBF通常有兩種結(jié)構(gòu)，即全連接結(jié)構(gòu)和部分連接結(jié)構(gòu)。全連接結(jié)構(gòu)中每個(gè)RF鏈通過相移器和所有天線連接，而部分連接則將每個(gè)RF鏈連接到天線的子集。對(duì)比兩種結(jié)構(gòu)，全連接結(jié)構(gòu)能夠獲得更高的陣列增益；而部分連接結(jié)構(gòu)可以減少移相器的數(shù)量，降低硬件功耗。

為了更好地滿足未來無線系統(tǒng)大連接和巨流量需求，可以在毫米波大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中使用非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)[7-9]。以上行為例，通過使用NOMA技術(shù)，多個(gè)用戶借助于波束內(nèi)疊加編碼在相同的時(shí)頻資源上傳輸信號(hào)，通過不同的功率分配和串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）技術(shù)，在基站端解碼多個(gè)用戶的消息，使得每個(gè)波束可以支持多個(gè)用戶，達(dá)到更高的容量要求。文獻(xiàn)[10]證明了NOMA在頻譜效率、用戶公平性等方面的性能優(yōu)于傳統(tǒng)的正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）。已有很多文獻(xiàn)研究毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA，文獻(xiàn)[11]研究了上行鏈路毫米波MIMO-NOMA模型，聯(lián)合用戶分簇和功率分配來提高系統(tǒng)的頻譜效率和能量效率。文獻(xiàn)[12]根據(jù)下行鏈路毫米波MIMO- NOMA模型，提出一種簇頭選擇法，首先為每個(gè)波束選擇一個(gè)信道最強(qiáng)用戶作為簇頭，設(shè)計(jì)模擬預(yù)編碼，并通過用戶之間的信道相關(guān)性對(duì)用戶進(jìn)行分簇，然后，通過為每個(gè)波束中的簇頭用戶設(shè)計(jì)數(shù)字預(yù)編碼消除簇間干擾。文獻(xiàn)[13]研究了波束空間MIMO和NOMA的結(jié)合，分析了波束空間MIMO-NOMA在毫米波信道下的速率，提出一種低復(fù)雜的迭代優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)功率分配。上述研究中，簇內(nèi)用戶間干擾消除是由用戶級(jí)SIC實(shí)現(xiàn)的，而數(shù)字波束成形用來消除簇間干擾。這種分簇方法存在的問題是，如果同簇用戶的信道相關(guān)性較小，必然導(dǎo)致同簇用戶中部分用戶的等效信道增益很小，從而導(dǎo)致功率效率低的問題。筆者在文獻(xiàn)[14]中提出了上行鏈路多用戶聯(lián)合預(yù)編碼的MIMO-NOMA系統(tǒng)，其NOMA的實(shí)現(xiàn)方式在本質(zhì)上采用了群體串行干擾消除（group-level successive interference cancellation，GSIC）的概念。傳統(tǒng)的SIC將單個(gè)用戶作為一個(gè)實(shí)體來進(jìn)行順序的信號(hào)解調(diào)和干擾消除，而GSIC把一群用戶作為一個(gè)整體（也可認(rèn)為把一群用戶作為一個(gè)虛擬用戶），通過對(duì)群體（虛擬用戶）按信道增益進(jìn)行排序，按順序?qū)θ后w用戶進(jìn)行解調(diào)和干擾消除。群體內(nèi)的用戶可以采用空分多址或者其他OMA方式，而群體間實(shí)施NOMA傳輸。文獻(xiàn)[14]的仿真結(jié)果表明，相比于傳統(tǒng)的MIMO-NOMA，新方案系統(tǒng)功耗更小。筆者還將GSIC概念應(yīng)用于智能超表面輔助的MIMO-NOMA系統(tǒng)[15-16]，獲得了優(yōu)越的性能。

本文將GSIC概念拓展至HBF毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA上行鏈路系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)發(fā)射功率最小化。主要貢獻(xiàn)如下。

（1）針對(duì)毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA上行鏈路，根據(jù)用戶信道增益對(duì)用戶進(jìn)行群體劃分，群體間采用串行干擾消除，群體內(nèi)利用數(shù)字波束成形消除用戶間干擾，并且為每個(gè)群體的用戶分別設(shè)計(jì)模擬波束成形矩陣。

（2）由于上行鏈路功率最小化問題具有非凸性，很難直接求解，本文將聯(lián)合數(shù)字波束成形設(shè)計(jì)和功率優(yōu)化問題進(jìn)行兩階段求解，將問題轉(zhuǎn)化成純功率分配問題，并且進(jìn)一步提出一種并行迭代算法解決功率分配問題。

1 系統(tǒng)模型

1.1 信道模型

1.2 用戶分組和混合波束成形設(shè)計(jì)

其中，是第組用戶發(fā)出的信號(hào)，且滿足，是對(duì)應(yīng)的發(fā)射功率，表示對(duì)應(yīng)分組后用戶的毫米波信道矢量，是服從的加性復(fù)高斯噪聲信號(hào)?；緦?duì)接收信號(hào)進(jìn)行模擬波束成形和數(shù)字波束成形，得到的信號(hào)為：

其中：

2 波束成形設(shè)計(jì)和問題建模

2.1 模擬波束成形設(shè)計(jì)

2.2 問題建模和數(shù)字波束成形設(shè)計(jì)

對(duì)發(fā)射功率和數(shù)字波束成形矩陣聯(lián)合設(shè)計(jì)，使總功率最小化，優(yōu)化問題如下：

3 功率分配算法

根據(jù)結(jié)論1，可以改寫式（22），提出功率分配算法迭代計(jì)算式：

結(jié)論2 當(dāng)初始發(fā)射功率可行時(shí)，每個(gè)用戶的發(fā)射功率會(huì)隨著迭代次數(shù)的增加而降低，最終用戶發(fā)射功率會(huì)收斂到一個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)。因此，將自動(dòng)滿足式（23）的約束條件。

證明 通過發(fā)射功率替換QoS約束，由式（22）和式（23）得到：

然后，引入了一種新的干擾加噪聲矩陣：

將式（30）代入式（29），根據(jù)謝爾曼莫里森公式，可以得出：

根據(jù)以上證明，并行迭代算法見算法1。

算法1 并行迭代算法

repeat

=+ 1

for 每一組= 1 to

根據(jù)式（15）構(gòu)造第組的組間干擾協(xié)方差矩陣

repeat

for 第組用戶= 1 to

4 實(shí)驗(yàn)仿真結(jié)果

本節(jié)仿真評(píng)估基于GSIC的HBF毫米波MIMO-NOMA上行鏈路系統(tǒng)。仿真內(nèi)容包括全連接和部分連接結(jié)構(gòu)。仿真參數(shù)見表1。本文提出的方法與兩種傳統(tǒng)方法進(jìn)行比較：（1）最優(yōu)OMA方案，不同組采用不同時(shí)隙進(jìn)行時(shí)分多址；（2）傳統(tǒng)SIC-NOMA方案，基于分簇和簇內(nèi)用戶級(jí)SIC。

表1 仿真參數(shù)

系統(tǒng)發(fā)射功率和用戶最小速率要求如圖2所示，可以看出，無論哪種方案系統(tǒng)的總發(fā)射功率都隨著用戶速率要求的增大而增大。此外，本文提出的GSIC-NOMA方案與其他兩個(gè)方案相比，系統(tǒng)功耗明顯降低。與OMA方案相比，GSIC-NOMA方案可以降低總發(fā)射功率約3 dBm，并且性能差距隨著速率要求增大而有微小提高。與傳統(tǒng)的SIC-NOMA方案相比，所提方案可以降低總發(fā)射功率約30 dBm。在這3種方案中，傳統(tǒng)的SIC-NOMA方案性能最差，這是因?yàn)楫?dāng)用戶數(shù)量較少時(shí)，同一簇用戶信道不具有高度相關(guān)性，并且設(shè)計(jì)模擬波束成形矩陣時(shí)，基于簇頭選擇的分簇SIC-NOMA方案只對(duì)一簇中簇頭進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)于同簇其他用戶未進(jìn)行優(yōu)化，造成性能損失。另外，3個(gè)方案中全連接結(jié)構(gòu)都比部分連接結(jié)構(gòu)所需要總發(fā)射功率低，這是因?yàn)槿B接每個(gè)RF鏈路連接所有的天線，能夠獲得更好的陣列增益，信道增益越高，系統(tǒng)的整體性能越好。

圖2 系統(tǒng)發(fā)射功率和用戶最小速率要求

系統(tǒng)總發(fā)射功率和群體數(shù)的關(guān)系如圖3所示，其中基站天線數(shù)為128，總用戶數(shù)為12，RF鏈路數(shù)為6，每個(gè)群體的用戶數(shù)相等。從圖3可以看出，無論是全連接還是部分連接，在未考慮誤差傳播的情況下，采用本文提出的GSIC-NOMA方案，系統(tǒng)總功率均隨著組數(shù)的增大而減小，進(jìn)一步說明了GSIC-NOMA方案可以減少系統(tǒng)總功率。

圖3 系統(tǒng)總發(fā)射功率和群體數(shù)的關(guān)系

5 結(jié)束語

本文研究采用HBF的上行鏈路毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA系統(tǒng)總功率最小化問題，提出了基于GSIC的新框架。對(duì)用戶分組，組內(nèi)用戶采用空分多址傳輸，不同組之間采用NOMA傳輸；為每個(gè)群體每個(gè)用戶設(shè)計(jì)模擬波束成形矢量，數(shù)字波束成形和功率分配進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，并將原問題轉(zhuǎn)化成一個(gè)簡(jiǎn)單純功率分配問題，采用并行迭代算法求解。仿真結(jié)果表明，與已有的多種基準(zhǔn)方案相比，本文提出的GSIC-NOMA方案能夠有效地降低系統(tǒng)的發(fā)射功率。并且隨著組數(shù)的增加，系統(tǒng)總的發(fā)射功率逐漸減小，系統(tǒng)的性能更好。

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Low-power transmission method for uplink millimeter-wave massive MIMO-NOMA system based on GSIC

WANG Hui, TAI Qixin, LIU Liu, WANG Hong, SONG Rongfang

Schoolof Communications and Information Engineering, Nanjing University of Posts and Telecommunications, Nanjing 210003, China

The combination of non-orthogonal multiple access (NOMA) and millimeter-wave (mmWave) massive multiple-input multiple-output (MIMO) can meet the requirements for huge throughput and massive connectivity in future wireless communication network. The total system power minimization for uplink mmWave massive MIMO-NOMA was studied, and a novel framework for a hybrid beamforming mmWave massive MIMO-NOMA uplink transmission system was proposed based on group-level successive interference cancellation (GSIC). Specifically, users were grouped according to channel gain, intergroup users being served by NOMA and intra group users being served by space division multiple access. By designing analog beamforming matrices for different groups and performing joint optimization for digital beamforming and power control, a parallel iterative algorithm was proposed to solve the optimization problem. Simulation results show that the proposed method outperforms the conventional mmWave massive MIMO-NOMA based on clustering and user-level SIC in terms of total power consumption.

NOMA, mmWave, massive MIMO, hybrid beamforming

TN929.5

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2023010

2022–07–20；

2023–01–06

宋榮方，songrf@njupt.edu.cn

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（No.62171235）；中國(guó)電信產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目

The National Natural Science Foundation of China (No.62171235), China Telecom Cooperation Project

王暉（1997– ），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)、毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA。

邰其心（1991– ），男，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院博士生，主要研究方向?yàn)槊嫦?G的寬帶無線傳輸技術(shù)。

劉镠（2000– ），男，南京郵電大學(xué)大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)闊o線通信系統(tǒng)、毫米波大規(guī)模MIMO-NOMA。

王鴻（1989– ），男，博士，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授、碩士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信理論與技術(shù)。

宋榮方（1964– ），男，博士，南京郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院教授、博士生導(dǎo)師，主要研究方向?yàn)閷拵o線通信理論與技術(shù)。