[论文解读] Sparse or Dense: A Comparative Study of Code-Domain NOMA Systems

Zilong Liu, Lie‐Liang Yang|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用 11

一句话总结

本文比较了码域非正交多址（NOMA）系统中稀疏码多址（SCMA）与密集码多址（DCMA）的性能，表明在瑞利衰落信道中，DCMA可实现全分集增益（DO），而SCMA则受限于码本稀疏性。通过广义球形检测，DCMA在与SCMA相近的译码复杂度下，显著提升了误码率性能。

ABSTRACT

This paper is focused on code-domain non-orthogonal multiple access (CD-NOMA), which is an emerging paradigm to support massive connectivity for future machine-type wireless networks. We take a comparative approach to study two types of overloaded CD-NOMA, i.e., sparse code multiple access (SCMA) and dense code multiple access (DCMA), which are distinctive from each other in terms of their codebooks having sparsity or not. By analysing their individual diversity orders (DO) in Rayleigh fading channels, it is found that DCMA can be designed to enjoy full DO which is equal to the maximum number of resource nodes in the system. This is in contrast to SCMA whose error rate suffers from limited DO equal to the codebook sparsity (i.e., the effective number of resource nodes occupied by each user). We conduct theoretical analysis for the codebook design criteria and propose to use generalized sphere decoder for DCMA detection. We numerically evaluate two types of multiple access schemes under "4x6" (i.e., six users communicate over four subcarriers) and "5x10" NOMA settings and reveal that DCMA gives rise to significantly improved error rate performance in Rayleigh fading channels, whilst having decoding complexity comparable to that of SCMA.

研究动机与目标

• 在瑞利衰落信道下，比较码域NOMA系统中稀疏码多址（SCMA）与密集码多址（DCMA）的性能。
• 分析并对比SCMA与DCMA的分集增益（DO），识别SCMA因码本稀疏性导致的根本性限制。
• 提出广义球形检测（GSD）作为有效检测方法，以充分发挥DCMA的全分集增益潜力。
• 在4×6与5×10等实际NOMA配置下，评估两种方案的误码率性能与译码复杂度。
• 在最小乘积距离与单误码对错概率（PEP）方面，识别DCMA与SCMA的最优码本设计。

提出的方法

• 通过配对误码概率（PEP）的理论分析，推导出SCMA与DCMA在瑞利衰落信道下的分集增益（DO）。
• 提出广义球形检测（GSD）作为DCMA的非线性检测技术，其变体ST-S-GSD适用于单输入单输出（SISO）检测。
• 基于最大化最小乘积距离（MPD）推导码本设计准则，证明单位模序列在M=4时对DCMA最优。
• 对于SCMA，识别出单位模低密度序列（LDS）在单误码PEP性能方面最优。
• 在基于OFDM的CD-NOMA系统中，对4×6与5×10配置进行数值仿真，比较比特误码率（BER）、块误码率（BLER）与计算复杂度。
• 使用每log₂M符号的浮点运算数（FLOPs）评估归一化复杂度，对比DCMA的ST-S-GSD与SCMA的消息传递算法（MPA）的复杂度。

实验结果

研究问题

• RQ1 SCMA与DCMA在瑞利衰落信道下的分集增益（DO）是多少？码本稀疏性如何影响其性能？
• RQ2 DCMA能否通过在所有子载波上扩展信号实现全分集增益？与SCMA的有限DO相比有何差异？
• RQ3 在瑞利衰落信道下，DCMA的最优码本设计应如何基于最小乘积距离确定？
• RQ4 广义球形检测（GSD）在误码率与复杂度方面与消息传递算法（MPA）相比表现如何？
• RQ5 在大规模NOMA系统中，DCMA与SCMA在误码率性能与译码复杂度之间存在何种权衡？

主要发现

• DCMA可实现等于资源节点最大数量（如子载波数）的全分集增益（DO），而SCMA的DO受限于码本稀疏度（d_v），从而限制其误码率性能。
• 在瑞利衰落信道中，采用单位模序列的DCMA可实现最大的最小乘积距离，因此在M=4时为最优。
• 对于SCMA，单位模低密度序列（LDS）可实现最佳单误码对错概率（PEP），证实其最优性。
• 数值结果表明，DCMA在4×6与5×10 NOMA配置下，比特误码率（BER）与块误码率（BLER）均显著优于SCMA。
• 在4×6配置下，DCMA的ST-S-GSD归一化复杂度仅为SCMA的MPA的约35%；在5×10配置下，仅高出约33%，表明其在性能优越的同时保持了相近的复杂度。
• DCMA的ESE-LMMSE检测器在系统吞吐量超过2时无法收敛，凸显了在高吞吐DCMA系统中采用非线性检测（如GSD）的重要性。