[论文解读] OTFS-NOMA: An Efficient Approach for Exploiting Heterogenous User Mobility Profiles

Zhiguo Ding, Robert Schober+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

PAPR reduction in OFDM被引用 5

一句话总结

本文提出了一种新型多址接入方案 OTFS-NOMA，该方案联合利用正交时频空（OTFS）调制与非正交多址接入（NOMA），可同时服务具有异构移动性特征的用户——高速移动与低速移动用户。通过将高速移动用户分配至时延-多普勒域，低速移动用户分配至时频域，OTFS-NOMA 提升了频谱效率，借助增强的 OTFS 分辨率提高了检测可靠性，并实现了多径与多用户分集增益，从而在上行链路和下行链路中均使两类用户受益。

ABSTRACT

This paper considers a challenging communication scenario, in which users have heterogenous mobility profiles, e.g., some users are moving at high speeds and some users are static. A new non-orthogonal multiple-access (NOMA) transmission protocol that incorporates orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is proposed. Thereby, users with different mobility profiles are grouped together for the implementation of NOMA. The proposed OTFS-NOMA protocol is shown to be applicable to both uplink and downlink transmission, where sophisticated transmit and receive strategies are developed to remove inter-symbol interference and harvest both multi-path and multi-user diversity. Analytical results demonstrate that both the high-mobility and low-mobility users benefit from the application of OTFS-NOMA. In particular, the use of NOMA allows the spreading of the high-mobility users' signals over a large amount of time-frequency resources, which enhances the OTFS resolution and improves the detection reliability. In addition, OTFS-NOMA ensures that low-mobility users have access to bandwidth resources which in conventional OTFS-orthogonal multiple access (OTFS-NOMA) would be solely occupied by the high-mobility users. Thus, OTFS-NOMA improves the spectral efficiency and reduces latency.

研究动机与目标

• 为在单一无线接入框架内同时服务具有异构移动性特征的用户——高速与静止用户——提供解决方案。
• 克服传统 OTFS-OMA 中因分辨率需求导致高速移动用户独占时频资源所引发的频谱效率低下问题。
• 设计统一的传输协议，通过同时利用时延-多普勒域与时频域复用，实现在 OTFS 中的 NOMA。
• 通过利用双重选择性衰落信道中的多径与多用户分集增益，提升可靠性与频谱效率。
• 设计鲁棒的发射与接收策略，包括频域均衡器，以抑制符号间干扰与多址干扰。

提出的方法

• 所提出的 OTFS-NOMA 协议通过 OTFS 调制将高速移动用户分组分配至时延-多普勒域，而低速移动用户则通过类似 OFDM 的信号方式在时频域中被服务。
• 采用混合多址策略：高速移动用户通过功率域 NOMA 在时延-多普勒域中复用，而低速移动用户则在时频域中复用。
• 设计了复杂的均衡技术——频域迫零线性均衡器（FD-LE）与决策反馈均衡器（FD-DFE）——以抑制时延-多普勒域中的符号间干扰。
• 针对上行链路与下行链路优化功率与速率分配策略，以抑制多址干扰并改善中断性能。
• 通过利用时延-多普勒域中信道抽头的稀疏性来实现多径分集增益，通过利用用户间信道增益差异来实现多用户分集增益。
• 基于有效信道增益的复高斯近似，推导出基于中断概率的分析模型，并通过向量化与克罗内克积恒等式建立边界。

实验结果

研究问题

• RQ1 OTFS-NOMA 是否能在单次传输帧内有效服务高速移动与低速移动用户，同时不牺牲频谱效率？
• RQ2 与传统 OTFS-OMA 相比，将 NOMA 集成到 OTFS 中如何提升高速移动用户的检测可靠性？
• RQ3 通过 NOMA 将高速移动用户的信号在时频资源上扩展，对 OTFS 分辨率与信道估计精度有何影响？
• RQ4 在双重选择性衰落信道下，频域均衡器（FD-LE 与 FD-DFE）如何抑制时延-多普勒域中的符号间干扰？
• RQ5 在混合移动性场景中，OTFS-NOMA 的分集增益与中断性能如何？与传统 NOMA 或 OTFS-OMA 相比表现如何？

主要发现

• 所提出的 OTFS-NOMA 方案的分集阶数为 1，因为中断概率的上下界均随 1/ρ 变化，证实了完全的分集增益。
• 高速移动用户因通过 NOMA 在大量时频资源上扩展信号，从而获得增强的 OTFS 分辨率，提升了检测可靠性。
• 低速移动用户可接入原本在 OTFS-OMA 中被高速移动用户独占的带宽资源，从而提高了频谱效率。
• NOMA 的使用使高速移动用户无需专用时频资源即可维持可靠通信，降低了时延并提升了系统公平性。
• 推导出的中断概率边界表明，系统性能随信噪比（SNR）呈有利增长趋势，上下界具有相同的分集阶数。
• 分析中考虑了由于块循环结构导致的时延-多普勒信道增益之间的相关性，并通过在所有子载波与符号上使用联合上界来对中断概率进行上界估计。