[论文解读] NOMA: An Information Theoretic Perspective

Peng Xu, Zhiguo Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 29, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 23

一句话总结

本文对下行链路高斯广播信道中的非正交多址接入（NOMA）进行了信息论分析，采用总速率和用户个体速率作为度量指标，将其性能与时分多址（TDMA）进行比较。分析结果表明，NOMA不仅在总速率上优于TDMA，而且在用户个体速率方面也表现更优，尤其在用户间信道增益差异较大时，高信噪比下频谱效率增益最高可达每信道使用2比特。

ABSTRACT

In this letter, the performance of non-orthogonal multiple access (NOMA) is investigated from an information theoretic perspective. The relationships among the capacity region of broadcast channels and two rate regions achieved by NOMA and time-division multiple access (TDMA) are illustrated first. Then, the performance of NOMA is evaluated by considering TDMA as the benchmark, where both the sum rate and the individual user rates are used as the criteria. In a wireless downlink scenario with user pairing, the developed analytical results show that NOMA can outperform TDMA not only for the sum rate but also for each user's individual rate, particularly when the difference between the users' channels is large.

研究动机与目标

• 从信息论角度分析NOMA在高斯广播信道中的性能。
• 将NOMA的速率区域与TDMA的速率区域以及广播信道的容量区域进行比较。
• 以TDMA为基准，评估NOMA在总速率和用户个体速率两方面的优越性。
• 推导NOMA优于TDMA的解析条件，尤其针对非对称信道条件下的用户配对场景。
• 量化在衰落信道中NOMA在个体速率上优于TDMA的概率。

提出的方法

• 利用叠加编码推导高斯广播信道的容量区域，作为NOMA的理论上限。
• 在连续干扰 cancellation（SIC）条件下表征NOMA的速率区域，功率分配受约束以保障弱用户的服务质量。
• 将TDMA的速率区域建模为单个用户速率的凸包，代表正交时隙共享。
• 采用几何分析比较NOMA与TDMA的边界，关键函数f^N(z)和f^T(z)用于建模可实现的速率对。
• 利用顺序统计和组合求和，推导NOMA在个体速率上优于TDMA的概率的解析表达式。
• 分析特殊情况，包括最强用户与最弱用户配对（m=1, n=M），推导出中断概率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种信道条件下，NOMA的总速率高于TDMA？
• RQ2 即使总速率增益较小，NOMA是否仍能在个体用户速率上优于TDMA？
• RQ3 NOMA在个体速率上优于TDMA的概率如何随用户信道差异而变化？
• RQ4 对于给定用户对，NOMA实现更高个体速率的解析概率是多少？
• RQ5 NOMA与TDMA之间的性能差距如何随信噪比（SNR）和用户信道增益差异而变化？

主要发现

• 在所有信道条件下，NOMA的总速率均优于TDMA，且当用户间信道差异较大时增益最大。
• 当用户对具有较大信道增益差异时，NOMA在个体速率上优于TDMA的概率趋近于1，尤其在（m=1, n=M）配对情况下表现显著。
• 在高信噪比（如55 dB）下，NOMA对弱用户的速率增益恒定约为1 BPCU，对强用户的增益约为2 BPCU，均高于TDMA。
• 随着信道增益差异（n−m）增大，NOMA在个体速率上优于TDMA的概率增加，当m=1且n=M时，该概率在M较大时接近1。
• P(ε₂)（即NOMA在个体速率上优于TDMA的概率）的解析结果在各种SNR和用户配对下与蒙特卡洛仿真结果高度吻合。
• 在最弱与最强用户配对的特殊情况下（m=1, n=M），P(ε₂) = 1 − 1/2^{M−1}，随着M增大趋近于1，证实了在极端信道差异下NOMA具有稳健优势。