[论文解读] A Fair Individual Rate Comparison between MIMO-NOMA and MIMO-OMA

Ming Zeng, Animesh Yadav+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 3

一句话总结

本文提出了一种MIMO-NOMA的功率分配（PA）策略，即使OMA采用任意功率分配和最优自由度（DoF）分配，该策略也能保证所有用户获得比MIMO-OMA更高的个体速率。关键贡献在于提出了一种理论证明的PA方案，确保个体速率优势和改善的公平性，通过在真实MIMO下行链路条件下（包含用户配对和波束成形）的分析推导与仿真得到验证。

ABSTRACT

In this paper, we compare the individual rate of MIMO-NOMA and MIMO-OMA when users are paired into clusters. A power allocation (PA) strategy is proposed, which ensures that MIMO-NOMA achieves a higher individual rate for each user than MIMO-OMA with arbitrary PA and optimal degrees of freedom split. In addition, a special case with equal degrees of freedom and arbitrary PA for OMA is considered, for which the individual rate superiority of NOMA still holds. Moreover, it is shown that NOMA can attain better fairness through appropriate PA. Finally, simulations are carried out, which validate the developed analytical results.

研究动机与目标

• 解决现有文献中MIMO-NOMA与MIMO-OMA之间缺乏公平个体速率对比的问题。
• 开发一种功率分配策略，确保在任意PA和最优DoF分配下，MIMO-NOMA的个体速率优于MIMO-OMA。
• 证明当DoF在用户间均分时，NOMA仍能保持个体速率优势。
• 展示通过适当的功率分配，NOMA可实现更好的公平性。
• 通过在包含用户配对和波束成形的真实MIMO下行链路系统模型下进行仿真，验证分析结果。

提出的方法

• 提出一种新颖的MIMO-NOMA功率分配策略，确保在任意OMA功率分配和最优DoF分配下，MIMO-NOMA的个体速率超过MIMO-OMA。
• 利用信干噪比（SINR）约束和波束成形对齐条件，推导出闭式PA解。
• 在基站应用迫零（ZF）预编码以抑制用户间干扰。
• 通过接收波束成形向量在同簇用户间实现信号对齐。
• 采用包含路径损耗和瑞利衰落分量的块衰落信道模型，以实现真实信道建模。
• 通过仿真验证分析结果，仿真参数为M=4根天线，ρ=30 dB，以及变化的功率系数。

实验结果

研究问题

• RQ1 当OMA采用任意功率分配和最优DoF分配时，MIMO-NOMA是否能实现比MIMO-OMA更高的个体速率？
• RQ2 当DoF在用户间均分且OMA采用任意功率分配时，MIMO-NOMA是否仍能保持个体速率优势？
• RQ3 MIMO-NOMA中的功率分配如何影响与MIMO-OMA相比的公平性？
• RQ4 最优DoF分配对NOMA与OMA之间和速率及个体速率对比有何影响？
• RQ5 所提出的PA策略是否能在真实MIMO下行链路条件下，确保所有用户对的个体速率增益？

主要发现

• 所提出的PA策略确保MIMO-NOMA对所有用户均实现严格高于MIMO-OMA的个体速率，即使OMA采用任意功率分配和最优DoF分配。
• 在DoF相等且PA任意的特殊情况下，MIMO-NOMA仍能实现高于MIMO-OMA的个体速率，该结论已通过理论分析证明。
• 仿真结果证实，NOMA在所有用户对中均优于OMA的个体速率，当应用最优PA时，NOMA中的$R_1$和$R_2$均超过其OMA对应值。
• 在NOMA中采用公式(12b)所示的PA时，$R_1$和$R_2$均高于OMA [15]（后者假设等功率和等DoF），证明NOMA即使在次优OMA方案下仍具优势。
• 和速率顺序为$\text{NOMA}_3 > \text{NOMA}_4 > \text{OMA} > \text{OMA}_{[15]}$，确认最优DoF分配的OMA和速率高于等DoF分配的OMA。
• 图1显示，当强用户功率系数较低时，NOMA可实现优于OMA的公平性，因为当$\alpha_{2'}^2 \in [0, 0.8]$时，$R_1^{\text{NOMA}_1} = R_1^{\text{OMA}} > R_2^{\text{NOMA}_1} > R_2^{\text{OMA}}$。