[论文解读] NOMA for Next-generation Massive IoT: Performance Potential and Technology Directions

Yifei Yuan, Sen Wang+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 11, 2021

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用 5

一句话总结

本文研究非正交多址接入（NOMA）作为6G下一代大规模物联网的关键使能技术，证明其在有限块长和异步系统中相对于正交多址接入（OMA）具有更高的频谱效率。论文提出了线性扩频、联合扩频-调制以及无蜂窝NOMA等先进技术，以逼近理论性能极限，展示了NOMA在实现高可靠性与低时延大规模连接方面的巨大潜力。

ABSTRACT

Broader applications of the Internet of Things (IoT) are expected in the forthcoming 6G system, although massive IoT is already a key scenario in 5G, predominantly relying on physical layer solutions inherited from 4G LTE and primarily using orthogonal multiple access (OMA). In 6G IoT, supporting a massive number of connections will be required for diverse services of the vertical sectors, prompting fundamental studies on how to improve the spectral efficiency of the system. One of the key enabling technologies is non-orthogonal multiple access (NOMA). This paper consists of two parts. In the first part, finite block length theory and the diversity order of multi-user systems will be used to show the significant potential of NOMA compared to traditional OMA. The supremacy of NOMA over OMA is particularly pronounced for asynchronous contention-based systems relying on imperfect link adaptation, which are commonly assumed for massive IoT systems. To approach these performance bounds, in the second part of the paper, several promising technology directions are proposed for 6G massive IoT, including linear spreading, joint spreading & modulation, multi-user channel coding in the context of various techniques for practical uncoordinated transmissions, cell-free operations, etc., from the perspective of NOMA.

研究动机与目标

• 评估NOMA在下一代大规模物联网系统中相对于传统OMA的性能潜力。
• 识别可逼近大规模物联网中NOMA理论性能极限的实用技术方向。
• 分析有限块长和异步传输场景下的频谱效率与分集增益。
• 探索无蜂窝操作和NOMA联合信号处理等非协调、分布式传输技术。
• 为在6G大规模物联网中集成NOMA提供高可靠性与低时延的路线图。

提出的方法

• 利用有限块长信息论分析多用户系统中的频谱效率与分集阶数。
• 在存在非理想链路自适应的异步、竞争式上行链路传输条件下，对比NOMA与OMA的性能。
• 提出线性扩频与联合扩频-调制技术，以增强用户分离能力和可靠性。
• 设计适用于非协调NOMA传输的多用户信道编码策略。
• 分析无蜂窝NOMA架构，以提升大规模物联网部署中的覆盖范围与频谱效率。
• 考虑实际实现因素，如功率域复用与非协调接入的接收机设计。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限块长和异步传输条件下，NOMA相较于OMA在频谱效率方面有何优势？
• RQ2 在存在非理想信道状态信息的大规模物联网场景中，NOMA相较于OMA的分集增益如何？
• RQ3 哪些实用的信号处理技术可有效逼近非协调大规模接入中NOMA的理论性能边界？
• RQ4 联合扩频与调制如何提升基于NOMA的大规模物联网系统的可靠性？
• RQ5 无蜂窝架构在提升下一代物联网中NOMA性能方面发挥何种作用？

主要发现

• NOMA在频谱效率方面显著优于OMA，尤其在存在非理想链路自适应的异步、竞争式大规模物联网系统中表现突出。
• 有限块长分析表明，在实际延迟与可靠性约束下，NOMA相较于OMA实现了更高的频谱效率与更优的分集增益。
• 线性扩频与联合扩频-调制技术可有效抑制多址干扰，并改善非协调NOMA传输中的用户分离性能。
• 无蜂窝NOMA架构通过利用分布式接入点与协同信号处理，显著提升了覆盖范围与频谱效率。
• 结合多用户信道编码与功率域复用，可在满足低时延需求的大规模物联网中实现可靠通信。
• 将NOMA与先进信号处理及分布式架构相结合，使系统在大规模接入场景中更接近理论性能极限。