[论文解读] Novel Time Asynchronous NOMA schemes for Downlink Transmissions

Mehdi Ganji, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

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一句话总结

本文提出了两种新颖的非正交多址接入（NOMA）方案——异步功率域NOMA（AP-NOMA）与时域NOMA（T-NOMA），通过引入有意的时间非同步来提升下行链路频谱效率。通过引入受控的符号偏移和预编码技术，T-NOMA在频谱效率、总速率和公平性方面均优于传统的P-NOMA与AP-NOMA，尤其在用户信道条件不对称时表现更优。

ABSTRACT

In this work, we investigate the effect of time asynchrony in non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes for downlink transmissions. First, we analyze the benefit of adding intentional timing offsets to the conventional power domain-NOMA (P-NOMA). This method which is called Asynchronous-Power Domain-NOMA (AP-NOMA) introduces artificial symbol-offsets between packets destined for different users. It reduces the mutual interference which results in enlarging the achievable rate-region of the conventional P-NOMA. Then, we propose a precoding scheme which fully exploits the degrees of freedom provided by the time asynchrony. We call this multiple access scheme T-NOMA which provides higher degrees of freedom for users compared to the conventional P-NOMA or even the modified AP-NOMA. T-NOMA adopts a precoding at the base station and a linear preprocessing scheme at the receiving user which decomposes the broadcast channel into parallel channels circumventing the need for Successive Interference Cancellation (SIC). The numerical results show that T-NOMA outperforms AP-NOMA and both outperform the conventional P-NOMA. We also compare the maximum sum-rate and fairness provided by these methods. Moreover, the impact of pulse shape and symbol offset on the performance of AP-NOMA and T-NOMA schemes are investigated.

研究动机与目标

• 为解决传统正交多址接入（OMA）在下行链路传输中的效率低下与公平性不足问题。
• 探究时间非同步在NOMA中的潜在优势，传统上该现象被视为一种干扰因素。
• 设计新型NOMA方案，利用定时偏移作为资源，以提升频谱效率与用户公平性。
• 提出一种预编码与预处理策略，将广播信道转换为并行流，从而消除对连续干扰消除（SIC）的需求。
• 在不同信道条件与脉冲形状下，对比P-NOMA、AP-NOMA与T-NOMA的总速率与公平性表现。

提出的方法

• 提出AP-NOMA，通过在用户数据包之间引入有意的时间偏移，以降低功率域NOMA中的相互干扰。
• 引入T-NOMA，即在基站采用预编码、在用户端采用线性预处理，将广播信道分解为并行链路。
• 在发射端使用预编码矩阵，在每个用户端使用接收滤波器，实现无干扰的并行传输，无需SIC。
• 通过信息论分析推导各方案的可达速率，获得最优功率分配的闭式表达式。
• 分析脉冲形状与符号偏移对性能的影响，表明最优成形可进一步提升频谱效率。
• 利用数学优化推导各方案的最优功率分配，并比较所得总速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 有意时间非同步是否能提升下行链路NOMA系统中的可达速率区域？
• RQ2 在AP-NOMA中引入人工符号偏移后，相比传统P-NOMA，如何降低用户间干扰？
• RQ3 在不同信道条件下，T-NOMA相较于P-NOMA与AP-NOMA的最大总速率增益是多少？
• RQ4 脉冲形状的选择如何影响存在定时偏移时AP-NOMA与T-NOMA的性能？
• RQ5 在何种条件下，T-NOMA的总速率严格高于P-NOMA与AP-NOMA？

主要发现

• T-NOMA的可达速率区域严格大于P-NOMA与AP-NOMA，尤其在用户信道质量不对称时表现更优。
• 在噪声功率相等（σ₁ = σ₂）的信道中，AP-NOMA的总速率高于P-NOMA，因其为两个用户均分配非零功率，而P-NOMA仅将全部功率分配给强用户。
• 当信噪比差值超过（1−g）P时，AP-NOMA为两个用户均分配非零功率，且总速率高于P-NOMA。
• T-NOMA的最优功率分配为P₁* = (P + σ₂ − σ₁)/2，可在信道不对称时实现功率的均衡使用。
• T-NOMA在所有方案中总速率最高，因其预编码可实现并行信道分解，避免SIC并减少干扰。
• T-NOMA的总速率始终大于或等于AP-NOMA的总速率，且在两个用户均分配非零功率时为严格不等式。