[论文解读] NOMA in Distributed Antenna System for Max-Min Fairness and Max-Sum-Rate

Dong-Jun Han, Minseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 3

一句话总结

本文提出在单小区分布式天线系统（DAS）中采用非正交多址接入（NOMA）技术，结合两种传输策略——全覆盖传输与单选传输，其中核心基站通过NOMA同时服务近点用户与远点用户，而远端射频单元（RRU）仅协助弱信号（远点）用户。所提出的NOMA结合全覆盖传输方案在总发射功率降低的情况下，仍显著优于传统NOMA、联合传输NOMA及单选传输方案，在最大-最小公平性和 sum-rate 性能方面表现更优。

ABSTRACT

Distributed antenna system (DAS) has been deployed for over a decade. DAS has advantages in capacity especially for the cell edge users, in both single-cell and multi-cell environments. In this paper, non-orthogonal multiple access (NOMA) is suggested in single-cell DAS to maximize user fairness and sumrate. Two transmission strategies are considered: NOMA with single selection transmission and NOMA with blanket transmission. In a two-user scenario, the center base station (BS) uses NOMA to serve both users and the remote radio units (RRUs) serve only the weak user based on the transmission scheme. The signals sent from the RRUs are not considered as interference at both user sides. At one side, the signals from the RRUs are used to detect the required data and at the other side, the signals are used to perform successive interference cancellation (SIC). The max-min performance is studied when instantaneous channel gain information (CGI) or channel distribution information (CDI) is known at the transmitter. A closed-form expression of the upper bound is derived for the data rate of each user with only CDI. In addition, the sum-rate is studied with a minimum rate constraint when instantaneous CGI known at the transmitter. The results show that NOMA with blanket transmission gives the best performance compared to other schemes; conventional-NOMA, conventional single selection scheme and joint-transmission (JT) NOMA. It is also shown that with less transmit power, NOMA with single selection transmission gives better performance than conventional-NOMA.

研究动机与目标

• 为解决在用户密集部署的5G蜂窝网络中实现高 spectral efficiency 与公平性的挑战。
• 通过引入RRU协作，提升单小区分布式天线系统（DAS）中的用户公平性与sum-rate。
• 研究在发射端具备瞬时信道状态信息（CSI）与统计信道状态信息（CSI）条件下，NOMA在DAS中的性能增益。
• 从最大-最小公平性与sum-rate角度，对比所提出的NOMA方案与传统NOMA、联合传输（JT）NOMA及单选NOMA方案。

提出的方法

• 系统模型采用一个核心基站（BS）与六个地理分布的RRU，每个RRU配备单天线发射，服务两个用户：一个近点用户与一个远点用户。
• 提出两种传输策略：(1) 全覆盖传输，即所有RRU同时向远点用户发送信号以提供协助；(2) 单选传输，即仅选择一个RRU进行信号传输。
• 核心BS通过NOMA进行功率分配，同时以不同功率级别服务两个用户，利用近点用户处的连续干扰 cancellation（SIC）技术。
• 针对最大-最小公平性，论文仅基于信道分布信息（CDI）推导出用户速率的闭式上界，并在瞬时信道增益信息（CGI）与CDI两种条件下优化功率分配。
• 在最小速率约束下研究sum-rate最大化问题，基于瞬时信道增益信息（CGI）优化功率分配。
• 通过蒙特卡洛仿真评估性能，采用近点与远点用户均匀分布的用户分布模型，将所提方案与传统NOMA及JT-NOMA进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在DAS中采用全覆盖与单选传输策略的NOMA，相比传统NOMA与JT-NOMA，如何提升最大-最小公平性？
• RQ2 当发射端仅掌握统计信道状态信息（CDI）或瞬时信道状态信息（CGI）时，用户数据速率的可达上界是多少？
• RQ3 NOMA结合单选传输是否能在总发射功率更低的情况下，实现优于传统NOMA的性能？
• RQ4 在最小速率约束下，sum-rate性能如何变化？哪种方案在公平性与频谱效率之间实现最佳权衡？
• RQ5 用户位置分布（近点用户 vs. 远点用户）对DAS中NOMA性能有何影响？

主要发现

• 采用全覆盖传输的NOMA在最大-最小公平性方面表现最优，即使仅使用CDI信息，其性能也超越JT-NOMA的上界。
• 当发射端仅掌握CDI时，推导出用户速率的闭式上界，实现无需瞬时CSI的高效功率分配。
• 采用单选传输的NOMA在总发射功率降低20%的情况下，仍优于传统NOMA，归因于精准的RRU协作。
• 在最小速率约束下，传统NOMA因集中式功率分配在低速率需求时表现最佳；但随着约束提升，所提方案性能超越传统NOMA。
• 在高信噪比与中等速率约束条件下，所提NOMA方案在sum-rate方面持续优于传统NOMA与JT-NOMA，尤其在真实用户分布模型下表现显著。
• 结果证实，DAS中的NOMA能显著提升公平性与频谱效率，尤其当RRU仅协助小区边缘（弱信号）用户时效果更佳。