[论文解读] Coordinated Multi-Point (CoMP) Transmission in Downlink Multi-cell NOMA Systems: Models and Spectral Efficiency Performance

Md Shipon Ali, Ekram Hossain+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 7

一句话总结

本文提出了一种用于下行链路多小区非正交多址（NOMA）系统的协调多点（CoMP）传输框架，采用每小区分布式功率分配。结果表明，通过在多个小区中同时向CoMP用户传输，同时保持逐次干扰消除（SIC）解码顺序，联合传输CoMP-NOMA可实现最高的频谱效率增益——相比CoMP-OMA最高提升30%。

ABSTRACT

We outline a general framework to use coordinated multi-point (CoMP) transmission technology in downlink multi-cell non-orthogonal multiple access (NOMA) systems considering distributed power allocation at each cell. In this framework, CoMP transmission is used for users experiencing strong receive-signals from multiple cells while each cell adopts NOMA for resource allocation to its active users. After a brief review of the working principles of different CoMP schemes, we identify their applicability and necessary conditions for their use in downlink multi-cell NOMA system. After that, we discuss different network scenarios with different spatial distributions of users and study the applicability of CoMP schemes in these network scenarios. To the end, a numerical performance evaluation is carried out for the proposed CoMP-NOMA systems and the results are compared with those for conventional orthogonal multiple access (OMA)-based CoMP systems. The numerical results quantify the spectral efficiency gain of the proposed CoMP-NOMA models over CoMP-OMA. Finally, we conclude this article by identifying the potential major challenges in implementing CoMP-NOMA in future cellular systems.

研究动机与目标

• 解决下行链路多小区NOMA系统中的小区间干扰问题，其中边缘用户因功率域复用而遭受强小区间干扰。
• 将CoMP传输与NOMA结合，以在保持每小区分布式功率分配的前提下提升多小区环境下的频谱效率。
• 识别不同CoMP方案（如协调波束成形、联合传输）在NOMA多小区网络中的适用条件与性能权衡。
• 在实际网络部署场景下，量化CoMP-NOMA相比传统CoMP-OMA系统的频谱效率增益。
• 突出部署CoMP-NOMA时的关键实现挑战，如最优解码顺序选择、CSI反馈以及SIC中的误差传播问题。

提出的方法

• 建立下行链路多小区NOMA系统，其中每个基站（BS）根据信道增益对自身NOMA用户执行分布式功率分配，以在SIC约束下最大化和吞吐量。
• 将经历来自多个小区强信号的用户识别为CoMP用户，并将其分配至CoMP集合，非CoMP用户则通过单小区传输服务。
• 对CoMP用户应用不同的CoMP传输方案——联合传输（JT）、协调波束成形（CB）与协调调度（CS），其中JT支持在相同频谱上同时传输。
• 建模NOMA用户簇的形成，使每个CoMP用户在每个协调小区中与非CoMP用户组成NOMA簇，同时基于信道增益保持SIC解码顺序。
• 采用每小区动态功率分配以最大化频谱效率，调整功率电平以满足最低速率需求，同时确保SIC解码顺序不被破坏。
• 通过数值仿真比较CoMP-NOMA与CoMP-OMA在多种用户分布与网络场景下的频谱效率，包括同质与异质网络部署。

实验结果

研究问题

• RQ1 在具有分布式功率分配的下行链路多小区NOMA系统中，不同CoMP方案（如JT、CB、CS）的必要条件与适用性是什么？
• RQ2 与其它CoMP-NOMA方案相比，联合传输CoMP-NOMA在频谱效率增益方面相较于CoMP-OMA表现如何？
• RQ3 用户空间分布与信道增益变化对CoMP-NOMA系统性能有何影响？
• RQ4 CoMP-NOMA中NOMA簇的解码顺序与单小区NOMA有何不同？这对功率分配有何影响？
• RQ5 在未来的5G/后5G网络中部署CoMP-NOMA时，关键实现挑战是什么，特别是在异构与MIMO增强场景下？

主要发现

• 由于协调小区间实现全频谱复用，联合传输CoMP-NOMA相比CoMP-OMA可实现最高的频谱效率增益——最高提升30%。
• 在所有CoMP方案中，JT-CoMP-NOMA提供最大的性能增益，因为所有CoMP用户均从多个小区接收相同数据流，且使用相同资源块。
• 协调波束成形与协调调度CoMP-NOMA方案需在CoMP用户间正交化资源分配，导致其频谱效率增益相比JT受限。
• CoMP-NOMA簇中的最优解码顺序并非显而易见；当CoMP集合包含超过两个小区或存在多个CoMP用户时，穷举搜索的计算开销将变得不可行。
• 基于SIC的误差传播在NOMA中仍是关键挑战，尤其在异构网络（HetNets）中，宏小区干扰可能破坏小细胞用户处的SIC过程。
• 在同频异构网络（HetNets）中，NOMA用户可能因强小区间干扰而无法正确解码与消除信号，使得CoMP成为潜在但复杂的解决方案。