[论文解读] Large-Scale NOMA: Promises for Massive Machine-Type Communication

Ekram Hossain, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 4被引用 7

一句话总结

本文提出一种基于多基站协作的协作式非正交多址（NOMA）框架，以实现大规模机器类型通信（mMTC）中的大规模NOMA。通过利用协调多点（CoMP）传输，该方案增强了信号功率和分集增益，降低了用户间NOMA干扰（inter-NOMA interference）和连续干扰消除（SIC）的复杂度，从而在提升频谱效率和功率效率的同时，实现了高用户密度下的可靠连接。

ABSTRACT

We investigate on large-scale deployment of non-orthogonal multiple access (NOMA) for improved spectral and power efficiency in cellular networks to provide massive wireless connectivity (e.g. for machine-type communication [mMTC]). First, we describe the basics of single-antenna NOMA technology and its extension to co-located multiple-antenna NOMA as well as coordinated multipoint transmission (CoMP)-enabled NOMA technologies. Then we discuss some of the practical challenges of large-scale deployment of NOMA such as the inter-NOMA-interference (INI), inter-cell interference, and hardware implementation complexity. To this end, we present one key enabling technique to overcome the challenges of large-scale deployment of NOMA. Generally speaking, for a feasible large-scale NOMA implementation, sophisticated diversity enhancing techniques can be used to compensate for the degradation in coding gain and to decrease the complexity resulting from excessive INI and increased level of required successive interference cancellation (SIC). Furthermore, to massively extend NOMA over the network coverage area, NOMA transmitters have to cooperate in a generalized manner to serve all nearby users simultaneously.

研究动机与目标

• 解决传统NOMA在大规模机器类型通信（mMTC）网络中面临的可扩展性限制。
• 缓解大规模NOMA簇中高用户密度带来的高用户间NOMA干扰（INI）和小区间干扰（ICI）。
• 降低大规模NOMA系统中连续干扰消除（SIC）的硬件复杂度。
• 通过先进的分集增益增强技术，实现大带内NOMA簇的可行部署。
• 在高用户密度和有限频谱资源条件下，提升系统性能与可靠性。

提出的方法

• 提出一种协作式NOMA方案，多个基站（BSs）联合向单个大型NOMA簇传输信号。
• 利用CoMP传输增强每个NOMA接收机处的期望信号功率，增大目标信号与干扰信号之间的功率差距。
• 采用多天线与协同传输技术，提升接收机灵敏度，降低低信干比的影响。
• 提出一种网络规划策略，通过协同波束成形与功率分配最小化小区间干扰（ICI）。
• 利用多个发射机带来的分集增益，提升编码增益并降低SIC复杂度。
• 采用信号模型，其中每个用户接收的信号包含来自多个协作基站的贡献，从而提升可靠性和性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在高用户密度的大规模NOMA簇中，如何有效缓解用户间NOMA干扰（INI）？
• RQ2 协调多点（CoMP）传输在增强大规模NOMA中信号强度和降低SIC复杂度方面发挥何种作用？
• RQ3 增加协作基站数量如何影响大规模NOMA系统中的分集增益与性能表现？
• RQ4 在将NOMA扩展至支持大规模机器类型通信（mMTC）时，面临的关键硬件与信号处理挑战是什么？
• RQ5 如MIMO和CoMP等分集增强技术，能否补偿大规模NOMA簇中编码增益的退化？

主要发现

• 采用多协作基站的协作式NOMA显著提升了系统的分集增益，仿真结果中性能曲线的陡峭程度得到验证。
• 增加协作发射机数量（K）可增强系统在高用户密度下维持高 spectral efficiency 的能力。
• 通过联合传输提高期望信号功率，该方案有效降低了每个NOMA接收机处的有效干扰电平。
• 采用CoMP增强的NOMA可缓解信号间功率差距过小带来的负面影响，提升大规模簇中SIC的可靠性。
• 仿真结果表明，即使接收用户数（M）较大，系统性能依然稳健，得益于增强的分集增益和降低的INI。
• 该框架通过平衡频谱效率、功率效率与硬件复杂度，实现了大规模NOMA部署的可行性。