[论文解读] Cognitive Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Relaying: A New Wireless Frontier for 5G Spectrum Sharing

Lu Lv, Jian Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 21

一句话总结

该论文提出了一种认知非正交多址接入（NOMA）网络，将认知无线电原理与NOMA及协作中继技术相结合，以提升5G网络中的频谱效率和可靠性。提出了三种架构——非许可型、许可型和基于认知无线电的NOMA，并证明协作中继在所有配置下显著降低了中断概率，从而在干扰受限环境中提升了公平性和可靠性。

ABSTRACT

Two emerging technologies towards 5G wireless networks, namely non-orthogonal multiple access (NOMA) and cognitive radio (CR), will provide more efficient utilization of wireless spectrum in the future. In this article, we investigate the integration of NOMA with CR into a holistic system, namely cognitive NOMA network, for more intelligent spectrum sharing. Design principles of cognitive NOMA networks are perfectly aligned to functionality requirements of 5G wireless networks, such as high spectrum efficiency, massive connectivity, low latency, and better fairness. Three different cognitive NOMA architectures are presented, including underlay NOMA networks, overlay NOMA networks, and CR-inspired NOMA networks. To address inter- and intra-network interference which largely degrade the performance of cognitive NOMA networks, cooperative relaying strategies are proposed. For each cognitive NOMA architecture, our proposed cooperative relaying strategy shows its potential to significantly lower outage probabilities. Furthermore, we discuss open challenges and future research directions on implementation of cognitive NOMA networks.

研究动机与目标

• 通过整合NOMA和认知无线电（CR）技术，解决5G频谱共享网络中严重的干扰问题。
• 设计支持高谱效率、大规模连接、低时延和改进公平性的认知NOMA架构。
• 利用协作中继策略减轻认知NOMA中的跨网络和同网络干扰，提升接收可靠性。
• 识别认知NOMA网络实际部署中的开放挑战与未来研究方向。

提出的方法

• 提出三种认知NOMA架构：非许可型NOMA（SUs在功率约束下与PUs同时传输）、许可型NOMA（SUs与PUs通过功率域复用方式同时传输）、基于认知无线电的NOMA（SUs基于感知与协作机会式接入频谱）。
• 为每种架构引入协作中继策略，以减轻跨网络与同网络干扰，提升信号检测能力并降低中断概率。
• 在接收端采用连续干扰 cancellation（SIC）技术以解码目标信号，同时将其他信号视为干扰，从而在下行链路和上行链路NOMA中实现功率域复用。
• 以中断概率作为关键性能指标，分析中继部署与用户配对对网络可靠性的影响。
• 考虑高级技术如联合收发波束成形、中继选择与物理层安全技术，以提升性能与鲁棒性。
• 探索全双工中继与MIMO的集成，以进一步提升频谱效率与系统容量。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何联合设计NOMA与认知无线电，以在5G网络中最大化频谱效率并支持大规模连接？
• RQ2 在干扰受限条件下，非许可型、许可型和基于认知无线电的NOMA架构的性能极限是什么？
• RQ3 协作中继如何在管理跨网络与同网络干扰的同时，降低认知NOMA网络中的中断概率？
• RQ4 在存在多个SUs与PUs的认知NOMA中，用户配对、功率分配与中继选择的关键挑战是什么？
• RQ5 如何将物理层安全技术与全双工中继集成到认知NOMA中，以增强可靠性并防止窃听？

主要发现

• 协作中继策略在所有三种认知NOMA架构——非许可型、许可型和基于认知无线电的NOMA中，均显著降低了中断概率，从而提升了接收可靠性。
• NOMA与CR的集成可实现更高的频谱效率，支持大规模连接，并相比传统正交多址接入（OMA）方案显著提升公平性。
• 在使用中继减轻主用户与次用户干扰后，下行链路与上行链路NOMA场景的中断性能均得到改善。
• 在MIMO-NOMA中采用联合收发波束成形与最优功率分配，可在限制对主网络干扰的同时，最大化次用户总速率。
• 中继选择与用户调度策略必须联合优化主用户与次用户的可靠性，需开发超越传统方法的新设计。
• 物理层安全技术如协作干扰可缓解不可信中继与拒绝服务攻击带来的风险，提升认知NOMA网络安全性。