[论文解读] MIMO-NOMA Design for Small Packet Transmission in the Internet of Things

Z. Ding, Lang Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 20

一句话总结

本文提出了一种新型MIMO-NOMA方案，用于物联网小包传输，即使用户信道条件相似，也能确保一个用户低时延QoS。通过设计预编码矩阵，有意降低用户1的有效信道增益，同时增强用户2的信道增益，并采用两种功率分配策略，该方案在不依赖固有信道差异的情况下实现NOMA增益，为低速率用户提供了严格的中断性能保障，同时提升了高速率用户的频谱效率。

ABSTRACT

A feature of the Internet of Things (IoT) is that some users in the system need to be served quickly for small packet transmission. To address this requirement, a new multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO-NOMA) scheme is designed in this paper, where one user is served with its quality of service (QoS) requirement strictly met, and the other user is served opportunistically by using the NOMA concept. The novelty of this new scheme is that it confronts the challenge that most existing MIMO-NOMA schemes rely on the assumption that users' channel conditions are different, a strong assumption which may not be valid in practice. The developed precoding and detection strategies can effectively create a significant difference between the users' effective channel gains, and therefore the potential of NOMA can be realized even if the users' original channel conditions are similar. Analytical and numerical results are provided to demonstrate the performance of the proposed MIMO-NOMA scheme.

研究动机与目标

• 为解决在用户信道条件相似、削弱了依赖强信道差异的传统MIMO-NOMA方案的部署挑战。
• 设计一种预编码策略，有意降低低速率用户的有效信道增益，同时增强高速率用户的信道增益，从而在原始信道条件相似的情况下仍能实现NOMA增益。
• 开发两种功率分配策略：一种确保用户1的长期QoS合规性（目标中断概率），另一种实现在每个信道实现下用户1的瞬时数据速率满足。
• 通过解析边界和仿真分析高数据速率用户的中断性能，特别关注不同信噪比（SNR）和天线配置下的表现。

提出的方法

• 在基站设计预编码矩阵，即使在用户原始信道条件相似的情况下，也能在两者之间产生显著的有效信道增益差异。
• 该预编码策略降低用户1的有效信道增益，同时提升用户2的信道增益，从而在NOMA中实现成功的连续干扰消除（SIC）。
• 引入两种功率分配策略：策略I确保用户1的长期中断概率合规性；策略II在每个信道实现下实现用户1的瞬时数据速率满足。
• 利用边界技术推导用户2的中断概率解析表达式，并提供精确形式和高SNR近似形式。
• 通过仿真验证性能，将解析结果与蒙特卡洛仿真在不同SNR水平和天线配置下的结果进行对比。
• 将逆Wishart矩阵对角元素的顺序统计识别为未来推导用户2闭式中断表达式的潜在方向。

实验结果

研究问题

• RQ1 当用户信道条件相似时，NOMA是否仍能在MIMO系统中实现显著的频谱效率增益，与通常假设的强信道差异相反？
• RQ2 如何设计预编码，以有意降低一个用户的有效信道，同时增强另一个用户的信道，从而在对称信道条件下实现NOMA操作？
• RQ3 哪些功率分配策略能够同时保证低速率物联网用户在长期（中断概率）和瞬时（目标数据速率）下的QoS？
• RQ4 高速率用户的中断性能如何？其性能随发射SNR和天线数量如何变化？
• RQ5 能否推导出高速率用户中断概率的解析表达式？与仿真结果相比，其准确性如何？

主要发现

• 在功率分配策略I下，用户1的仿真与解析中断概率曲线完全匹配，证实了长期QoS合规性。
• 在功率分配策略II下，用户1的中断性能达到所有功率分配给用户1的系统的理论边界，证明了瞬时QoS满足。
• 用户2的中断概率曲线与精确解析表达式（39）和高SNR近似表达式（40）完全匹配，后者仅在高SNR时准确。
• 在高SNR下，用户2在所有层的分集增益均为1，无论基站天线数量如何，与第四节-B1节的分析结果一致。
• 用户2在策略I下的中断性能优于策略II，表明QoS保障与频谱效率之间存在权衡。
• 用户2的中断概率曲线斜率随层索引增加，表明早期层具有更高的分集增益，与分析预测一致。