[论文解读] Joint Pilot and Payload Power Control for Uplink MIMO-NOMA with MRC-SIC Receivers

Zhiqiang Wei, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 5

一句话总结

本文提出了一种上行链路MIMO-NOMA系统中采用MRC-SIC检测器的联合导频与业务功率分配（JPA）方案，以缓解由信道估计误差引起的错误传播问题。通过建立一个非凸优化问题以最大化最小加权平均SINR，并利用几何规划求解，该方案在中等能量预算区间表现出优越的误码率（BER）性能，优于基准功率分配方法。

ABSTRACT

This letter proposes a joint pilot and payload power allocation (JPA) scheme to mitigate the error propagation problem for uplink multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO-NOMA) systems. A base station equipped with a maximum ratio combining and successive interference cancellation (MRC-SIC) receiver is adopted for multiuser detection. The average signal-to-interference-plus-noise ratio (ASINR) of each user during the MRC-SIC decoding is analyzed by taking into account the error propagation due to the channel estimation error. Furthermore, the JPA design is formulated as a nonconvex optimization problem to maximize the minimum weighted ASINR and is solved optimally with geometric programming. Simulation results confirm the developed performance analysis and show that our proposed scheme can effectively alleviate the error propagation of MRC-SIC and enhance the detection performance, especially for users with moderate energy budgets.

研究动机与目标

• 解决在MRC-SIC解码过程中，由于信道估计误差导致的上行链路MIMO-NOMA系统中的错误传播问题。
• 在总能量预算约束下，联合优化导频与业务功率分配，以提升系统公平性与可靠性。
• 最大化用户间最小加权平均信干噪比（ASINR），从而提升整体检测性能。

提出的方法

• 将联合导频与业务功率分配（JPA）问题建模为一个非凸优化问题，以最大化最小加权ASINR。
• 分析在MRC-SIC解码过程中每个用户的平均SINR（ASINR），并考虑信道估计误差（CEE）和残留干扰的影响。
• 采用最小均方误差（MMSE）信道估计器来建模系统中的实际信道估计。
• 利用几何规划求解非凸JPA问题的全局最优解。
• 应用码字级逐次干扰消除（SIC）以利用编码增益，提升抗错能力。
• 对导频与业务功率施加能量预算约束，以确保实际可行性。

实验结果

研究问题

• RQ1 信道估计误差如何影响MRC-SIC解码中上行链路MIMO-NOMA的平均SINR与错误传播？
• RQ2 在固定总能量预算下，导频功率与业务功率之间最优权衡为何种关系，可最小化错误传播？
• RQ3 与传统方案相比，联合优化导频与业务功率是否能显著提升BER性能？
• RQ4 在不同能量预算区间下，所提出的JPA方案表现如何，尤其在中等功率与高功率场景下的差异？
• RQ5 与现有功率分配策略相比，JPA方案在提升公平性（以Jain公平性指数衡量）方面有多大程度的改善？

主要发现

• 所提出的JPA方案在用户1、2和3上的ASINR比仅优化导频功率（PPA）方案高出2 dB，表明其具有更优的干扰抑制能力。
• JPA方案的Jain公平性指数（JFI）达到0.9983，显著高于PPA方案（0.9436）和EPA方案（0.6174），表明公平性显著提升。
• 所有用户在JPA方案下的BER性能均明显降低，尤其在编码系统中，所有用户BER均低于10⁻³。
• JPA方案的BER增益在中等能量预算区间最为显著，此时信道估计精度对功率分配最为敏感。
• 在BER从10⁻²到10⁻⁵的区域出现误码平台，这是由用户间干扰（IUI）、信道估计误差（CEE）和SIC错误传播共同作用所致，表明通过迭代接收机仍有进一步优化空间。