[论文解读] A Novel Network NOMA Scheme for Downlink Coordinated Three-Point Systems

Yanshi Sun, Zhiguo Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文提出了一种新型非正交多址接入（N-NOMA）方案，用于下行链路协作多点（CoMP）系统，用户随机部署。通过结合叠加编码（SC）与分布式模拟波束成形，该方案提升了频谱效率并改善了边缘用户的服务质量（QoS），并通过解析近似与仿真显著提升了中断性能。

ABSTRACT

In this paper, we propose a network non-orthogonal multiple access (N-NOMA) technique for the downlink coordinated multipoint (CoMP) communication scenario of a cellular network, with randomly deployed users. In the considered N-NOMA scheme, superposition coding (SC) is employed to serve cell-edge users as well as users close to base stations (BSs) simultaneously, and distributed analog beamforming by the BSs to meet the cell-edge user's quality of service (QoS) requirements. The combination of SC and distributed analog beamforming significantly complicates the expressions for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at the reveiver, which makes the performance analysis particularly challenging. However, by using rational approximations, insightful analytical results are obtained in order to characterize the outage performance of the considered N-NOMA scheme. Computer simulation results are provided to show the superior performance of the proposed scheme as well as to demonstrate the accuracy of the analytical results.

研究动机与目标

• 为解决传统CoMP系统采用正交多址接入（OMA）时频谱效率受限的问题，其中边缘用户独占资源块。
• 在不牺牲频谱效率的前提下，改善CoMP系统中边缘用户的用户体验质量（QoS）。
• 为一种结合叠加编码（SC）与分布式模拟波束成形的新型N-NOMA方案，在三基站CoMP系统中建立性能分析框架。
• 尽管联合SC与波束成形引入了复杂性，仍推导出该方案的解析中断概率表达式。
• 通过计算机仿真验证解析结果，并展示所提方案相较于传统方法的优越性。

提出的方法

• 所提出的N-NOMA方案在基站（BSs）采用叠加编码（SC），根据信道条件分配不同功率电平，同时为边缘用户与近点用户服务。
• 在三个BS之间采用分布式模拟波束成形，以增强边缘用户信号强度与可靠性，仅利用相位信息以减少反馈开销。
• 系统将用户位置建模为泊松点过程（PPP），其中边缘用户随机分布在距BS一定距离处，而近点用户则更靠近BS。
• 推导出考虑路径损耗、来自其他用户干扰及波束成形增益的信干噪比（SINR）表达式，导致复杂的中断概率表达式。
• 应用有理逼近与泰勒级数展开，以简化中断概率的解析表达式，实现可处理的性能评估。
• 利用随机几何工具，包括Campbell定理与广义伽马函数，评估中断概率，以处理随机部署用户带来的干扰。

实验结果

研究问题

• RQ1 在用户随机部署的三基站CoMP系统中，叠加编码（SC）与分布式模拟波束成形的结合如何改善中断性能？
• RQ2 在SC与分布式波束成形共同作用下，所提N-NOMA方案的解析中断概率表达式是什么？
• RQ3 所提方案在频谱效率与用户公平性方面相较于传统OMA-based CoMP有何优势？
• RQ4 用户分布与路径损耗对所提N-NOMA方案性能有何影响？
• RQ5 在真实系统条件下，解析近似在预测实际中断性能方面的准确性如何？

主要发现

• 与传统OMA-based CoMP相比，所提N-NOMA方案在高干扰环境中显著降低了边缘用户的中断概率。
• 通过有理逼近与随机几何方法推导出的解析中断概率表达式与仿真结果高度一致，验证了分析的准确性。
• 采用分布式模拟波束成形可消除BS间瞬时信道状态信息（CSI）交换的需求，从而降低反馈开销，同时仍能提升边缘用户性能。
• 通过推导的表达式量化了中断性能增益：$ P_1 \text{approx} \approx 1 - \frac{2\rho^{\frac{2}{\alpha}}M_1\gamma(\frac{2}{\alpha},\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho}) - \frac{4\beta_1^2M_1\rho^{\frac{2}{\alpha}+1}}{l^{\alpha}}\gamma(\frac{2}{\alpha}+1,\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho})}{\alpha M_1^{\frac{2}{\alpha}+1}R_1^2} $，该式捕捉了功率分配与波束成形的联合影响。
• 仿真结果证实，所提方案提升了频谱效率，可在不降低边缘用户QoS的前提下支持更多用户共享资源块。