[论文解读] Application of Non-orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks

Zhiguo Ding, Yuanwei Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 45

一句话总结

本文提出非正交多址接入（NOMA）作为一种提升LTE和5G网络频谱效率的技术，通过功率域复用和连续干扰消除（SIC）实现多个用户的同时传输。结果表明，与正交多址接入相比，NOMA在异质信道条件下显著提升了频谱效率和用户公平性。

ABSTRACT

As the latest member of the multiple access family, non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recently proposed for 3GPP Long Term Evolution (LTE) and envisioned to be an essential component of 5th generation (5G) mobile networks. The key feature of NOMA is to serve multiple users at the same time/frequency/code, but with different power levels, which yields a significant spectral efficiency gain over conventional orthogonal MA. This article provides a systematic treatment of this newly emerging technology, from its combination with multiple-input multiple-output (MIMO) technologies, to cooperative NOMA, as well as the interplay between NOMA and cognitive radio. This article also reviews the state of the art in the standardization activities concerning the implementation of NOMA in LTE and 5G networks.

研究动机与目标

• 解决传统正交多址接入（OMA）在LTE和5G网络中的频谱效率限制问题。
• 通过功率域复用实现在时域、频域和码域的多用户同时接入。
• 通过在单次传输中服务具有不同信道条件的用户，提升系统公平性和吞吐量。
• 将NOMA与MIMO、认知无线电和协作中继等新兴技术集成，以增强性能。
• 回顾标准化进展，并识别实际NOMA部署的关键研究挑战。

提出的方法

• 在基站使用叠加编码，使多个用户的信号以不同功率电平复用在同一资源块上进行传输。
• 在用户设备上实施连续干扰消除（SIC），其中信道增益更强的用户首先解码并消除信道增益较弱用户信号。
• 应用功率分配策略，为信道条件较差的用户分配更高功率，以确保可靠检测。
• 通过利用空间复用和波束成形，将NOMA与MIMO结合，以提升频谱效率和可靠性。
• 设计协作NOMA协议，使信道条件较好的用户作为中继，提升信道质量较差用户的覆盖范围和可靠性。
• 探索结合OFDMA与NOMA的混合多址方案，特别是在信道增益差异较大的场景中。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G和LTE网络中，NOMA相比传统OMA如何提升频谱效率和用户公平性？
• RQ2 在多用户NOMA系统中，如何实现最优的功率分配与用户配对策略，以最大化系统吞吐量和公平性？
• RQ3 如何有效结合NOMA与MIMO及波束成形技术，以提升频谱效率和可靠性？
• RQ4 用户协作在提升NOMA系统性能方面发挥什么作用，特别是在信道质量较差的用户场景中？
• RQ5 信道状态信息（CSI）不完善和反馈约束如何影响NOMA性能，有哪些解决方案可减轻其影响？

主要发现

• NOMA通过允许多个用户共享同一时频资源块，显著提升频谱效率，尤其在用户信道条件差异较大的情况下。
• 连续干扰消除（SIC）使信道条件较强的用户能够先解码并消除信道条件较弱用户信号，从而实现对两个信号的可靠检测。
• 协作NOMA通过利用信道条件较好的用户作为中继，提升了边缘用户的覆盖范围和可靠性。
• 3GPP-LTE-A中的混合多址方案（如MUST，多用户叠加传输）已实现NOMA在真实网络中的实际部署。
• 在MIMO-NOMA系统中，联合优化用户配对、功率分配和波束成形可显著提升频谱效率和能量效率，但会带来更高的复杂度。
• 若仅反馈用户信道排序信息，不完善的CSI和有限反馈不会严重降低NOMA性能，该方法可减少开销同时保持性能。