[论文解读] Signal Processing for MIMO-NOMA: Present and Future Challenges

Yongming Huang, Cheng Zhang+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 3

一句话总结

本文全面综述并分析了MIMO-NOMA系统中的信号处理挑战，重点关注波束成形、用户聚类、功率分配以及SIC稳定性这一关键问题。研究指出，基于可实现速率的设计存在次优性，原因在于连续干扰 cancellation（SIC）中的误差传播，并提出了在大规模和毫米波MIMO-NOMA系统中，基于不完美信道状态信息（CSI）的统计与混合波束成形的未来研究方向。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA), as the newest member of the multiple access family, is envisioned to be an essential component of 5G mobile networks. The combination of NOMA and multi-antenna multi-input multi-output (MIMO) technologies exhibits a significant potential in improving spectral efficiency and providing better wireless services to more users. In this article, we introduce the basic concepts of MIMO-NOMA and summarize the key technical problems in MIMO-NOMA systems. Then, we explore the problem formulation, beamforming, user clustering, and power allocation of single/multi-cluster MIMO-NOMA in the literature along with their limitations. Furthermore, we point out an important issue of the stability of successive interference cancellation (SIC) that arises using achievable rates as performance metrics in practical NOMA/MIMO-NOMA systems. Finally, we discuss incorporating NOMA with massive/millimeter wave MIMO, and identify the main challenges and possible future research directions in this area.

研究动机与目标

• 分析MIMO-NOMA系统的基本原理和关键技术挑战，特别是波束成形、用户聚类和功率分配方面。
• 强调在实际NOMA系统中，使用可实现速率作为性能度量时，SIC稳定性这一关键但常被忽视的问题。
• 探索NOMA与大规模MIMO及毫米波MIMO的集成，识别主要挑战和未来研究方向。
• 评估结合统计CSI与瞬时CSI的混合波束成形方案在性能权衡方面的表现，以减少训练开销。
• 提出在不完美信道状态信息条件下，统计与混合大规模MIMO-NOMA系统实用化的设计策略。

提出的方法

• 沿两个路径回顾现有MIMO-NOMA研究：单簇和多簇MIMO-NOMA，强调用户聚类、波束成形与功率分配的联合优化。
• 提出一种混合波束成形方案：利用统计CSI进行模拟波束成形，利用降维的瞬时CSI进行基带波束成形，以抑制用户间干扰。
• 提出两阶段波束成形设计：基于信道相关性或方向的统计波束成形，以及低维瞬时波束成形以减轻用户间干扰。
• 通过仿真表明，等功率分配可能因误差传播而使SIC不稳定，揭示了弱用户与强用户解码精度之间的权衡。
• 分析PH-NOMA与ZFBF在大规模MIMO系统中的性能，结果表明随着基站天线数量增加，NOMA可降低所需发射功率。
• 讨论三个未来研究方向：(1) 有限反馈与信道估计，(2) 混合大规模MIMO-NOMA，(3) 利用粗略CSI的统计大规模MIMO-NOMA。

实验结果

研究问题

• RQ1 在NOMA系统中，使用可实现速率作为性能度量如何影响连续干扰取消（SIC）的稳定性？
• RQ2 现有MIMO-NOMA设计依赖于完美或瞬时CSI时，其主要局限性是什么，特别是在高速移动或用户密集场景下？
• RQ3 如何在大规模MIMO-NOMA中有效利用统计CSI以减少训练开销和反馈信令？
• RQ4 在MIMO-NOMA中，结合统计CSI与降维瞬时CSI的混合波束成形方案存在哪些性能权衡？
• RQ5 在实际信道估计约束下，将NOMA与毫米波及大规模MIMO系统集成的主要挑战和潜在解决方案是什么？

主要发现

• 基于可实现速率的最优NOMA策略可能因误差传播而使SIC不稳定，尤其在等功率分配时，误差增长最大。
• 在SIC中观察到弱用户与强用户解码精度之间的权衡，表明速率优化设计可能降低系统可靠性。
• 所提出的混合波束成形方案在模拟域使用统计CSI、基带域使用降维瞬时CSI，性能可媲美完整MIMO-NOMA，但训练导频长度仅为一半。
• 在大规模MIMO系统中，PH-NOMA优于ZFBF，尤其当基站天线数增加或用户数较多时，能以更低的发射功率满足速率约束。
• 由于波束成形向量与和速率等优化指标之间存在复杂非线性关系，基于统计的大型MIMO-NOMA设计比基于瞬时CSI的设计更具挑战性。
• 由于路径损耗高且相干时间短，传统线性信道估计在大规模MIMO-NOMA中失效，亟需在反馈与波束成形设计方面提出新方法。