[论文解读] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA): How It Meets 5G and Beyond

S. M. Riazul Islam, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering参考文献 79被引用 17

一句话总结

本文全面概述了非正交多址接入（NOMA）作为5G及未来网络的关键无线接入技术，强调其在频谱效率方面优于传统正交多址接入（OMA）。文章详细介绍了单用户与多用户MIMO系统中的时频域与码域NOMA，资源分配策略如用户配对与功率分配，协作NOMA变体，以及与毫米波和异构网络的集成挑战。

ABSTRACT

Due to massive connectivity and increasing demands of various services and data-hungry applications, a full-scale implementation of the fifth generation (5G) wireless systems requires more effective radio access techniques. In this regard, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently gained ever-growing attention from both academia and industry. Compared to orthogonal multiple access (OMA) techniques, NOMA is superior in terms of spectral efficiency and is thus appropriate for 5G and Beyond. In this article, we provide an overview of NOMA principles and applications. Specifically, the article discusses the fundamentals of power-domain NOMA with single and multiple antennas in both uplink and downlink settings. In addition, the basic principles of code-domain NOMA are elaborated. Further, the article explains various resource allocation techniques such as user pairing and power allocation for NOMA systems; discusses the basic form of cooperative NOMA and its variants; and addresses several opportunities and challenges associated with the compatibility of NOMA with other advanced communication paradigms such as heterogeneous networks and millimeter wave communications.

研究动机与目标

• 应对5G及未来无线网络中对频谱效率和大规模连接性的日益增长的需求。
• 克服正交多址接入（OMA）在支持大规模设备连接和高速率传输方面的局限性。
• 提供NOMA原理的统一技术综述，包括时频域与码域实现方式。
• 研究用户配对与功率分配等资源分配技术，以优化NOMA性能。
• 探讨NOMA与新兴技术范式（如毫米波通信和异构网络）的集成。

提出的方法

• 分析单天线与多天线系统中上下行链路的时频域NOMA。
• 解释基于稀疏码多址接入（SCMA）和低密度签名（LDS）技术的码域NOMA。
• 提出用户配对策略，以在NOMA系统中最大化频谱效率与公平性。
• 引入功率分配算法，以在NOMA网络中平衡吞吐量与用户公平性。
• 综述协作NOMA方案，包括解码与转发及放大与转发中继协议。
• 讨论将NOMA与毫米波及异构网络集成时面临系统级挑战，包括波束成形与干扰管理。

实验结果

研究问题

• RQ1 在5G及未来系统中，NOMA相比传统OMA在频谱效率方面有何提升？
• RQ2 为最大化NOMA系统性能，最优的用户配对与功率分配策略是什么？
• RQ3 在多天线与多用户场景中，如何有效部署码域NOMA技术（如SCMA）？
• RQ4 NOMA与毫米波及异构网络集成的关键挑战与解决方案是什么？
• RQ5 协作NOMA如何通过中继技术提升高速移动或低信噪比环境下的覆盖范围与可靠性？

主要发现

• 通过时频域多路复用，NOMA允许多个用户共享同一时频资源块，从而实现比OMA更高的频谱效率。
• 基于信道增益差异的用户配对可显著提升NOMA系统的和速率与公平性。
• 在多天线与多用户场景中，NOMA的功率分配可被优化以平衡吞吐量与用户公平性。
• 码域NOMA，尤其是SCMA，通过在每个资源块中支持更多用户，实现了大规模连接。
• 协作NOMA通过中继技术提升了覆盖范围与可靠性，尤其在小区边缘与高速移动场景中表现更优。
• NOMA与毫米波及异构网络的集成是可行的，但需要先进的波束成形与干扰协调技术。