[论文解读] Multiple Antenna Assisted Non-Orthogonal Multiple Access

Yuanwei Liu, Hong Xing+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用 5

一句话总结

本文研究了多天线辅助的非正交多址接入（MIMO-NOMA），证明了通过利用空间复用和波束成形，MIMO-NOMA 的频谱效率高于 MIMO-OMA。论文提出了基于波束成形和基于集群的 MIMO-NOMA 设计，分析了单载波与多载波系统中的资源分配问题，并识别出实际实现中的挑战及其解决方案，同时指出了 5G 网络中关键的开放研究方向。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is potentially capable of circumventing the limitations of the classic orthogonal multiple access schemes, hence it has recently received significant research attention both in industry and academia. This article is focused on exploiting multiple antenna techniques in NOMA networks, with an emphasis on investigating the rate region of multiple-input multiple-output (MIMO)-NOMA, whist reviewing two popular multiple antennas aided NOMA structures, as well as underlining resource management problems of both single-carrier and multi-carrier MIMO-NOMA networks. This article also points out several effective methods of tackling the practical implementation constraints of multiple antenna NOMA networks. Finally, some promising open research directions are provided in context of multiple antenna aided NOMA.

研究动机与目标

• 从信息论角度分析 MIMO-NOMA 相较于 MIMO-OMA 所获得的频谱效率增益。
• 研究两种主流的 MIMO-NOMA 系统架构：基于波束成形的设计与基于集群的设计。
• 解决单载波与多载波 MIMO-NOMA 网络中的资源分配挑战。
• 识别并提出针对实际实现约束（如硬件复杂度与安全漏洞）的解决方案。
• 概述 MIMO-NOMA 在未来 5G 及更长远网络中的有前景的开放研究方向。

提出的方法

• 在发射端使用叠加编码（SC），在接收端使用连续干扰消除（SIC），在相同资源块内实现用户在功率域上的多路复用。
• 通过与脏纸编码（DPC）的对比分析 MIMO-NOMA 的可实现速率区域，表明在固定解码顺序下，NOMA 的速率区域是 DPC 的子集。
• 提出基于波束成形的 MIMO-NOMA，利用定向波束成形创建用户专用信道，提升频谱效率。
• 引入基于集群的 MIMO-NOMA，根据用户信道质量分组，实现高效的功率与波束分配。
• 应用天线选择（AS）以降低射频链路成本并简化信道排序，实现 MIMO-NOMA 到 SISO-NOMA 的转换，以实现性能与复杂度之间的权衡。
• 通过人工噪声（AN）注入集成物理层安全（PLS），以防范窃听攻击，尤其在 NOMA 用户中存在内部窃听者的情况下更具优势。

实验结果

研究问题

• RQ1 MIMO-NOMA 相较于 MIMO-OMA 在可实现速率区域方面的理论频谱效率增益是多少？
• RQ2 如何有效应用波束成形与聚类技术于 MIMO-NOMA 中，以提升系统性能并满足异构 QoS 需求？
• RQ3 单载波与多载波 MIMO-NOMA 系统中的关键资源分配挑战是什么，如何加以解决？
• RQ4 如何缓解 MIMO-NOMA 中的实际实现问题，如硬件复杂度、反馈开销与安全威胁？
• RQ5 在 5G 及更长远网络中，MIMO-NOMA 的最有前景的开放研究方向是什么，特别是在大规模 MIMO 和毫米波系统中？

主要发现

• 通过波束成形与空间复用利用空间自由度，MIMO-NOMA 实现了比 MIMO-OMA 更高的频谱效率。
• MIMO-NOMA 的速率区域是 DPC 的严格子集，但在特定条件下（如准退化条件）可实现 DPC 级性能。
• 天线选择（AS）通过减少射频链路数量并简化信道排序，实现了有利的性能-复杂度权衡，有效将 MIMO-NOMA 转换为 SISO-NOMA。
• 通过人工噪声（AN）注入实现的物理层安全可防范外部与内部窃听者，尤其在用户信道条件不对称时更具优势。
• 基于随机几何的建模方法（使用泊松聚类过程，PCP）为具有空间随机性的大规模 MIMO-NOMA 网络提供了更现实的分析框架。
• 由于依赖于预编码与检测器设计，最优 SIC 解码顺序设计在 MIMO-NOMA 中仍是一个开放挑战，大多数现有工作依赖于次优排序。