[论文解读] Short-Packet Communications in Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Xiaofang Sun, Shihao Yan+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 5

一句话总结

该论文首次将非正交多址接入（NOMA）引入短包通信，通过优化传输速率与功率分配，在延迟约束下最大化有效吞吐量。结果表明，NOMA 显著优于正交多址接入（OMA），尤其当两用户的吞吐量目标相近时，可在有限块长度条件下实现更低延迟或更高吞吐量。

ABSTRACT

This work introduces, for the first time, non-orthogonal multiple access (NOMA) into short-packet communications to achieve low latency in wireless networks. Specifically, we address the optimization of transmission rates and power allocation to maximize the effective throughput of the user with a higher channel gain while guaranteeing the other user achieving a certain level of effective throughput. To demonstrate the benefits of NOMA, we analyze the performance of orthogonal multiple access (OMA) as a benchmark. Our examination shows that NOMA can significantly outperform OMA by achieving a higher effective throughput with the same latency or incurring a lower latency to achieve the same effective throughput targets. Surprisingly, we find that the performance gap between NOMA and OMA becomes more prominent when the effective throughput targets at the two users become closer to each other. This demonstrates that NOMA can significantly reduce the latency in the context of short-packet communications with practical constraints.

研究动机与目标

• 为解决 5G 机器类型通信（MTC）中对低延迟通信的关键需求，即在 100 μs 内完成短包（如 100 比特）的传输。
• 填补有限块长度环境下 NOMA 性能研究的空白，此时译码错误概率不可忽略，传统香农容量假设不再适用。
• 在下行链路 NOMA 系统中，针对两个单天线用户，优化功率与速率分配，以最大化强用户的有效吞吐量，同时保证弱用户的最小有效吞吐量。
• 在相同约束条件下，将 NOMA 性能与正交多址接入（OMA）进行基准对比，量化有限块长度环境下延迟与吞吐量的增益。

提出的方法

• 建立一个下行链路 NOMA 系统模型，单天线基站通过有限块长度信道编码服务两个单天线用户。
• 采用文献 [4] 中的有限块长度信道容量公式，推导有效吞吐量，考虑译码错误概率的影响。
• 在信道质量更优的用户处应用连续干扰消除（SIC），优先解调其信号，随后再解调弱用户信号。
• 通过带约束的优化问题，优化传输速率与功率分配，以最大化用户 1（信道质量更优）的有效吞吐量，同时满足用户 2 的最小有效吞吐量约束。
• 推导出有效吞吐量关于传输速率的解析表达式，引入 Q 函数与正态尾部概率。
• 证明有效吞吐量函数关于传输速率的严格凹性，确保存在唯一全局最大值。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限块长度约束下，NOMA 在短包通信中的性能相较于 OMA 如何？
• RQ2 在 NOMA 系统中，为最大化信道质量更优用户的有效吞吐量，同时满足另一用户最小吞吐量要求，最优的功率与速率分配策略是什么？
• RQ3 NOMA 相较于 OMA 的性能增益是否依赖于两用户的相对吞吐量目标？
• RQ4 在相同延迟条件下，NOMA 是否能实现高于 OMA 的有效吞吐量？或在相同吞吐量目标下实现更低延迟？
• RQ5 在短包传输下，译码错误概率如何影响 NOMA 与 OMA 的有效吞吐量？

主要发现

• 当为弱用户保证相同最小有效吞吐量时，NOMA 在强用户的有效吞吐量方面显著优于 OMA。
• 当两用户的有效吞吐量目标更接近时，NOMA 与 OMA 之间的性能差距更加明显。
• 在相同延迟约束下，NOMA 能实现高于 OMA 的有效吞吐量，证明其在低延迟应用中的优越性。
• 当用户目标平衡时，NOMA 可在比 OMA 更低的延迟下实现相同的有效吞吐量目标。
• 强用户最优传输速率被解析推导得出，且有效吞吐量函数被证明为严格凹函数，确保唯一全局最大值。