[论文解读] Heterogeneous Networks with Power-Domain NOMA: Coverage, Throughput and Power Allocation Analysis

Chun‐Hung Liu, Di-Chun Liang|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用 4

一句话总结

本文提出并分析了两种非正交多址（NOMA）方案——非协调NOMA与协调波束成形NOMA（JT-NOMA）——在异构无线网络中的应用，利用随机几何方法推导出覆盖概率与吞吐量的精确表达式。结果表明，最优功率分配可显著提升系统性能，其中JT-NOMA通过利用空闲基站为最弱用户服务，大幅增强了公平性与频谱效率。

ABSTRACT

In a heterogeneous cellular network (HetNet), consider that a base station in the HetNet is able to simultaneously schedule and serve K users in the downlink by performing the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme. This paper aims at the preliminary study on the downlink coverage and throughput performances of the HetNet with the non-cooperative and the (proposed) cooperative NOMA schemes. First, the coverage probability and link throughput of K users in each cell are studied and their accurate expressions are derived for the non-cooperative NOMA scheme in which no BSs are coordinated to jointly transmit the NOMA signals for a particular user. We show that the coverage and link throughput can be largely reduced if transmit power allocations among the K users do not satisfy the constraint derived. Next, we analyze the coverage and link throughput of K users for the cooperative NOMA scheme in which the void BSs without users are coordinated to enhance the farthest NOMA user in a cell. The derived accurate results show that cooperative NOMA can significantly improve the coverage and link throughput of all users. Finally, we show that there exist optimal power allocation schemes that maximize the average cell coverage and throughput under some derived power allocation constraints and numerical results validate our analytical findings.

研究动机与目标

• 分析在异构网络（HetNets）中采用功率域非正交多址（NOMA）的下行链路覆盖与吞吐量性能。
• 评估非协调NOMA与所提出的协调波束成形NOMA（JT-NOMA）方案之间的性能差距，其中空闲基站协助服务最远用户。
• 推导在干扰与功率约束下，能够最大化平均小区覆盖与吞吐量的最优功率分配策略。
• 通过数值仿真验证分析结果，展示功率分配对系统性能的影响。

提出的方法

• 利用随机几何方法建模异构网络中基站与用户的空间分布，从而实现对干扰与信号强度的可 tractable（可处理）分析。
• 基于用户信道增益与功率分配，推导出在非协调NOMA下每个小区中K个用户覆盖概率与链路吞吐量的精确闭式表达式。
• 提出一种协调波束成形NOMA方案，其中空闲基站联合传输信号，以提升小区中性能最差（距离最远）用户的表现。
• 引入功率分配约束模型，确保公平性并最大化系统吞吐量，该模型基于信号干扰加噪声比（SINR）要求推导得出。
• 在用户设备上应用连续干扰消除（SIC）技术，以在功率域中解码多个用户的信号。
• 利用Weierstrass定理证明存在一个最优功率分配向量，可使所有用户平均覆盖最大化。

实验结果

研究问题

• RQ1 当K个用户之间的功率分配未按推导出的功率约束进行时，非协调NOMA在异构网络中的覆盖与吞吐量性能将如何变化？
• RQ2 通过利用空闲基站，协调波束成形NOMA在多大程度上可提升小区中最弱用户（最远用户）的覆盖与吞吐量？
• RQ3 在实际约束条件下，能够最大化平均小区覆盖与总吞吐量的最优功率分配策略是什么？
• RQ4 在各种网络条件下，所推导出的覆盖与吞吐量分析表达式与数值结果相比如何？

主要发现

• 当K个用户之间的功率分配违反推导出的功率约束时，非协调NOMA的性能显著下降，尤其导致最弱用户覆盖与吞吐量严重降低。
• 通过利用空闲基站增强最远用户信号，协调波束成形NOMA在所有用户中均实现了覆盖概率与链路吞吐量的显著提升。
• 所推导的最优功率分配方案可最大化平均小区覆盖与吞吐量，且分析结果通过数值仿真得到验证。
• 当功率分配向量位于由SINR与功率约束所定义的紧致、凸的可行区域内时，平均覆盖与吞吐量达到最大。
• 利用随机几何方法，推导出第K个用户（最弱用户）的覆盖概率闭式表达式，表明其与功率分配比例及路径损耗指数呈单调依赖关系。
• 当功率分配向量选择使得用户SIR的调和平均值被优化时，总吞吐量达到最大，从而兼顾公平性与频谱效率。