[论文解读] On the Performance Gain of NOMA over OMA in Uplink Communication Systems

Zhiqiang Wei, Lei Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 59被引用 16

一句话总结

本文通过解析方法量化了在上行链路蜂窝系统中，非正交多址接入（NOMA）相较于正交多址接入（OMA）的遍历和速率增益（ESG）。研究表明，NOMA通过大尺度近-远效应和小尺度衰落增益实现显著的ESG，其性能在大规模MIMO场景下与基站天线数和用户数呈线性增长；而在多小区环境中，小区间干扰会降低性能。

ABSTRACT

In this paper, we investigate and reveal the ergodic sum-rate gain (ESG) of non-orthogonal multiple access (NOMA) over orthogonal multiple access (OMA) in uplink cellular communication systems. A base station equipped with a single-antenna, with multiple antennas, and with massive antenna arrays is considered both in single-cell and multi-cell deployments. In particular, in single-antenna systems, we identify two types of gains brought about by NOMA: 1) a large-scale near-far gain arising from the distance discrepancy between the base station and users; 2) a small-scale fading gain originating from the multipath channel fading. Furthermore, we reveal that the large-scale near-far gain increases with the normalized cell size, while the small-scale fading gain is a constant, given by $γ$ = 0.57721 nat/s/Hz, in Rayleigh fading channels. When extending single-antenna NOMA to $M$-antenna NOMA, we prove that both the large-scale near-far gain and small-scale fading gain achieved by single-antenna NOMA can be increased by a factor of $M$ for a large number of users. Moreover, given a massive antenna array at the base station and considering a fixed ratio between the number of antennas, $M$, and the number of users, $K$, the ESG of NOMA over OMA increases linearly with both $M$ and $K$. We then further extend the analysis to a multi-cell scenario. Compared to the single-cell case, the ESG in multi-cell systems degrades as NOMA faces more severe inter-cell interference due to the non-orthogonal transmissions. Besides, we unveil that a large cell size is always beneficial to the ergodic sum-rate performance of NOMA in both single-cell and multi-cell systems. Numerical results verify the accuracy of the analytical results derived and confirm the insights revealed about the ESG of NOMA over OMA in different scenarios.

研究动机与目标

• 量化在不同部署场景下，上行链路蜂窝网络中NOMA相较于OMA的遍历和速率增益（ESG）。
• 识别并分析ESG的两个基本来源：大尺度近-远增益（由路径损耗引起）和小尺度衰落增益（由瑞利衰落引起）。
• 研究ESG如何随基站天线数（M）和用户数（K）变化，特别是在大规模MIMO配置下的表现。
• 评估小区间干扰对多小区部署中NOMA性能的影响，并与单小区场景进行比较。
• 通过在真实信道和系统条件下进行数值结果验证分析结论。

提出的方法

• 利用统计信道模型，推导出单天线、多天线及大规模MIMO上行链路系统中NOMA和OMA的遍历和速率闭式表达式。
• 采用基于圆盘的用户分布模型来建模用户路径损耗，设定最小距离（D₀）和最大距离（D），从而推导出大尺度近-远增益。
• 在大规模MIMO中应用信道硬化特性，将和速率近似为M/K比值的确定性函数。
• 在基站采用逐次干扰消除（SIC）与最大比合并（MRC）的组合，以模拟NOMA系统中的实际检测过程。
• 通过积分近似和大K与M的渐近分析，推导出在高用户数和高天线数场景下ESG的可计算表达式。
• 在功率和频谱资源分配相等的前提下，比较NOMA与OMA的性能，以遍历和速率为关键性能指标。

实验结果

研究问题

• RQ1 NOMA在上行链路系统中相较于OMA所提供的遍历和速率增益（ESG）的根本来源是什么？
• RQ2 在大规模MIMO部署中，NOMA的ESG如何随基站天线数（M）和用户数（K）变化？
• RQ3 在多小区场景中，小区间干扰对NOMA的ESG有何影响，相较于单小区场景？
• RQ4 大尺度路径损耗（近-远效应）和小尺度瑞利衰落对NOMA性能增益有何影响？
• RQ5 当用户数和天线数趋于无穷大时，NOMA的ESG如何渐近表现？

主要发现

• 在瑞利衰落信道中，小尺度衰落增益为恒定值0.57721 nat/s/Hz，与系统参数无关。
• 大尺度近-远增益随归一化小区尺寸（D/D₀）线性增加，表明更大的小区对NOMA更有利。
• 在M天线NOMA系统中，当用户数较多时，大尺度和小尺度增益均随M线性增长。
• 在固定M/K比的大规模MIMO系统中，NOMA相较于OMA的ESG随M和K线性增加。
• 在多小区系统中，小区间干扰会降低NOMA的ESG，使其相比单小区场景表现更差。
• 当K → ∞ 且 M → ∞ 时，NOMA中单个用户的速率因信道硬化而趋于确定性，从而可实现精确的渐近和速率分析。