[论文解读] Non-Orthogonal Multiple Access For Near-Field Communications

Jiakuo Zuo, Xidong Mu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 4

一句话总结

本文提出非正交多址接入（NOMA）用于近场通信（NF-NOMA），通过混合波束成形在角度域和距离域实现波束聚焦。提出两种框架——单点波束聚焦与多点波束聚焦，相较于远场NOMA，显著提升了频谱效率，尤其对远离基站的高服务质量（H-QoS）用户优势明显，且通过零 forcing（ZF）数字波束成形与优化功率分配，有效抑制了干扰。

ABSTRACT

The novel concept of near-field non-orthogonal multiple access (NF-NOMA) communications is proposed. The near-filed beamfocusing enables NOMA to be carried out in both angular and distance domains. Two novel frameworks are proposed, namely, single-location-beamfocusing NF-NOMA (SLB-NF-NOMA) and multiple-location-beamfocusing NF-NOMA (MLB-NF-NOMA). 1) For SLB-NF-NOMA, two NOMA users in the same angular direction with distinct quality of service (QoS) requirements can be grouped into one cluster. The hybrid beamformer design and power allocation problem is formulated to maximize the sum rate of the users with higher QoS (H-QoS) requirements. To solve this problem, the analog beamformer is first designed to focus the energy on the H-QoS users and the zero-forcing (ZF) digital beamformer is employed. Then, the optimal power allocation is obtained. 2) For MLB-NF-NOMA, the two NOMA users in the same cluster can have different angular directions. The analog beamformer is first designed to focus the energy on both two NOMA users. Then, a singular value decomposition (SVD) based ZF (SVD-ZF) digital beamformer is designed. Furthermore, a novel antenna allocation algorithm is proposed. Finally, a suboptimal power allocation algorithm is proposed. Numerical results demonstrate that the NF-NOMA can achieve a higher spectral efficiency and provide a higher flexibility than conventional far-field NOMA.

研究动机与目标

• 填补近场通信（NFC）中NOMA研究的空白，其中独特的球面波前为系统提供了新的自由度。
• 克服远场NOMA的局限性，后者依赖平面波前，无法利用距离域复用。
• 设计混合波束成形框架，利用近场波束聚焦支持多用户NOMA，提升频谱效率与干扰管理能力。
• 通过联合模拟/数字波束成形与功率分配，最大化高服务质量（H-QoS）用户的和速率，同时满足所有用户的服务质量约束。
• 证明NF-NOMA在频谱效率与干扰抑制方面优于远场NOMA与近场正交多址接入。

提出的方法

• 提出单点波束聚焦近场NOMA（SLB-NF-NOMA），即在同一角度方向但不同距离的两个用户由一个聚焦于单一位置的模拟波束成形器服务。
• 设计模拟波束成形器以集中能量于H-QoS用户，并应用零 forcing（ZF）数字波束成形以抑制用户簇间干扰。
• 在用户速率约束下，针对H-QoS用户建立和速率最大化问题，通过波束成形设计后的最优功率分配求解。
• 提出多点波束聚焦近场NOMA（MLB-NF-NOMA），即一个模拟波束成形器聚焦于两个不同位置，以服务具有不同角度方向的用户。
• 采用波束分裂技术设计多焦点模拟波束成形器，并应用基于SVD的ZF（SVD-ZF）数字波束成形以抑制簇间干扰。
• 提出基于多对一匹配的用户波束成形聚类分配算法，并设计一种迭代分数规划算法以实现次优功率分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 近场波束聚焦是否能在角度域与距离域同时实现NOMA传输，相较于传统远场NOMA具有优势？
• RQ2 在NF-NOMA中，如何设计混合波束成形以支持具有不同角度与距离位置的多用户聚类？
• RQ3 NF-NOMA在频谱效率与干扰抑制方面相较于远场NOMA的性能增益如何？
• RQ4 距离域波束聚焦如何提升频谱效率，尤其对远离基站的H-QoS用户？
• RQ5 能否通过ZF数字波束成形与波束分裂技术在NF-NOMA中有效抑制干扰？

主要发现

• 所提出的SLB-NF-NOMA与MLB-NF-NOMA方案在频谱效率上优于传统远场NOMA，即使H-QoS用户位于更远距离时亦然。
• 距离域波束聚焦有效实现了用户聚类与干扰抑制，尤其通过ZF数字波束成形与优化功率分配。
• MLB-NF-NOMA方案因增强的波束聚焦与干扰抑制能力，频谱效率优于MB-FF-NOMA，尽管波束分裂导致波束宽度增加。
• 数值结果证实，NF波束聚焦能有效抑制簇内与簇间干扰，性能优于远场波束成形。
• 通过联合模拟波束成形器设计与最优功率分配，H-QoS用户的和速率被最大化，SVD-ZF数字波束成形有效抑制了簇间干扰。
• 迭代分数规划算法收敛至次优功率分配解，显著提升了NF-NOMA系统的频谱效率。