[论文解读] Majority Based TAS/MRC Scheme in Downlink NOMA Network with Channel Estimation Errors and Feedback Delay

Mahmoud Aldababsa, Oğuz Kucur|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用 11

一句话总结

该论文提出了一种低复杂度的基于多数选择的波束成形波束选择（TAS-maj）方案，用于多天线基站与用户设备的下行链路非正交多址（NOMA）系统，结合波束成形与最大比合并（MRC）以提升性能。结果表明，TAS-maj在Nakagami-m衰落信道中，即使存在信道估计误差和反馈时延，也能在超过一半用户中实现比现有次优方案（如A^3和AIA）更优的遍历和速率性能。

ABSTRACT

The antenna selection (AS) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks is still a challenging problem since finding optimal AS solution may not be available for all channel realizations and has quite computational complexity when it exists. For this reason, in this paper, we develop a new suboptimal solution, majority based transmit antenna selection (TAS-maj), with significant reduction in computational complexity. The TAS-maj basically selects the transmit antenna with the majority. It is more efficient when compared to previously proposed suboptimal AS algorithms, namely max-max-max (A^3) and max-min-max (AIA) because these schemes are merely interested in optimizing the performance of the strongest and weakest users, respectively at the price of worse performance for the remaining users. On the other hand, the TAS-maj scheme yields better performance for more than half of mobile users in the NOMA networks. In this paper, we consider a multiple-input multiple-output communication system, where all the nodes are equipped with multi-antenna. Besides the TAS-maj is employed at the base station, a maximal ratio combining (MRC) is also employed at each mobile user in order to achieve superior performance. The impact of the channel estimation errors (CEEs) and feedback delay (FD) on the performance of the TAS-maj/MRC scheme is studied in the NOMA network over Nakagami-m fading channels.

研究动机与目标

• 解决NOMA网络中最优波束成形波束选择（TAS）的高计算复杂度问题。
• 设计一种次优TAS方案，在所有用户之间实现性能均衡，而非仅优化最强或最弱用户。
• 分析信道估计误差和反馈时延对NOMA系统中TAS/MRC性能的影响。
• 评估所提出的TAS-maj方案在Nakagami-m衰落信道中的遍历和速率与用户公平性。
• 证明TAS-maj在超过一半用户中性能优于现有次优方案。

提出的方法

• 提出一种新型次优TAS方案TAS-maj，通过选择在用户间具有多数有利信道增益的发射波束进行选择。
• 在每个多天线移动用户上采用最大比合并（MRC）技术，以相干合并来自多个接收波束的信号。
• 在存在信道估计误差和反馈时延导致的不完美信道状态信息条件下，建立下行链路NOMA系统在Nakagami-m衰落信道中的信道模型。
• 推导出在TAS-maj/MRC方案下考虑信道估计误差（CEE）和反馈时延（FD）的遍历和速率的闭式表达式。
• 从和速率与用户公平性角度，将TAS-maj的性能与现有方案（如A^3（max-max-max）和AIA（max-min-max））进行比较。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论分析结果，并评估在实际系统损伤条件下的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 所提出的TAS-maj方案在遍历和速率与用户公平性方面与A^3和AIA相比如何？
• RQ2 信道估计误差与反馈时延对NOMA系统中TAS-maj/MRC性能有何影响？
• RQ3 TAS-maj能否在超过一半用户中实现优于现有次优方案的性能？
• RQ4 TAS-maj的遍历和速率如何随衰落严重程度与天线数量等系统参数变化？
• RQ5 所提出的TAS-maj方案在计算复杂度与性能之间存在何种权衡？

主要发现

• TAS-maj在高信噪比区域下，其遍历和速率优于A^3与AIA。
• 该方案在超过50%的用户中表现更优，相比A^3与AIA，显著提升了用户公平性。
• 信道估计误差与反馈时延会降低遍历和速率，但TAS-maj在这些损伤下仍表现出良好的鲁棒性。
• TAS-maj与最优TAS之间的性能差距较小，表明其在低复杂度下仍具备高效率。
• 仿真结果验证了理论推导，理论与实测和速率性能高度一致。
• 在用户公平性方面，TAS-maj优于A^3与AIA，因其避免了过度优先考虑最强或最弱用户。