[论文解读] Virtual User Pairing Non-Orthogonal Multiple Access in Downlink Coordinated Multipoint Transmission

Denny Kusuma Hendraningrat, Muhammad Basit Shahab+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用 7

一句话总结

本文提出了一种联合传输协作多点（JT-CoMP）虚拟用户配对非正交多址接入（VP-NOMA）方案，以提升三小区下行链路网络中的遍历和容量（ESC）。通过允许多个基站联合服务边缘用户，并利用功率域复用将一个近点用户与多个远点用户配对，该方案在信道状态信息不完美和逐次干扰 cancellation（SIC）条件下，相较于 OMA、NOMA 和 VP-NOMA 均展现出更优的 ESC 增益。

ABSTRACT

In this paper, joint transmission coordinated multipoint (JT-CoMP) is exploited by using virtual user pairing non-orthogonal multiple access (VP-NOMA), termed as JT-CoMP VP-NOMA. The technique combines both VP-NOMA for enhancing ergodic sum capacity (ESC) and JT-CoMP for inter-cell interference mitigation. To show the performance gains, ESC of a three-cell scenario is analyzed as a key performance metric. The analytical and simulation results of JT-CoMP VP-NOMA are compared with orthogonal multiple access (OMA), non-orthogonal multiple access (NOMA), and VP-NOMA. It is shown that the proposed JT-CoMP VP-NOMA outperforms the other schemes in the viewpoint of ESC.

研究动机与目标

• 解决传统 NOMA 和 CoMP 方案在用户分布不均衡的多小区场景下的性能局限性。
• 克服传统 CoMP 仅支持单个远点用户的限制，通过联合传输支持多个小区边缘用户。
• 在用户配对不对称的三小区网络中，利用 VP-NOMA 提升频谱效率与遍历和容量（ESC）。
• 分析不完美信道状态信息（CSI）与不完美逐次干扰取消（SIC）对系统性能的影响。
• 在实际系统损伤条件下，推导 ESC 的闭式解析表达式，以验证性能增益。

提出的方法

• 构建一个三小区下行链路网络模型，每个小区包含一个近点用户与一个远点用户，远点用户位于小区边缘。
• 通过在非重叠的频带内将每个近点用户与网络中所有三个远点用户进行配对，实现虚拟用户配对（VP-NOMA）。
• 通过允许所有三个基站同时向远点用户传输，实施联合传输协作多点（JT-CoMP），以提升信号与干扰加噪声比（SINR）。
• 通过引入信道估计误差项建模不完美 CSI 和 SIC，其中误差方差已知，以反映实际系统约束。
• 利用统计信道模型与指数积分函数（Ei）推导遍历和容量（ESC）的闭式表达式，结合功率域复用与干扰消除技术。
• 通过信道增益的数学期望与概率密度函数，计算子载波上近点用户与远点用户的精确遍历速率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在多小区环境中，所提出的 JT-CoMP VP-NOMA 方案相较于传统 OMA、NOMA 和 VP-NOMA，如何提升遍历和容量（ESC）？
• RQ2 用户位置（如近点用户与服务基站的距离）对 JT-CoMP VP-NOMA 性能有何影响？
• RQ3 近点用户与远点用户之间的功率分配如何影响所提系统的 ESC？
• RQ4 不完美信道状态信息（CSI）与不完美逐次干扰取消（SIC）在多大程度上降低 JT-CoMP VP-NOMA 的系统性能？
• RQ5 在存在 CSI 估计误差与 SIC 不完善等实际系统损伤条件下，能否推导出 ESC 的闭式解析表达式？

主要发现

• 所提出的 JT-CoMP VP-NOMA 方案在所有信噪比（SNR）水平下，均显著优于 OMA、NOMA 和 VP-NOMA 的遍历和容量（ESC）。
• 随着近点用户功率分配的增加，ESC 提升，证实了功率域复用可通过优化功率分配实现增益。
• 当近点用户靠近小区边缘（即与服务基站距离增加）时，性能下降，原因在于干扰与信道衰落加剧。
• 当近点用户与远点用户之间的距离较大时，系统可实现最优 ESC，表明用户间分离可提升频谱效率。
• 利用指数积分函数（Ei）推导出的解析 ESC 表达式与仿真结果高度吻合，验证了闭式解的准确性。
• 该方案在不完美 CSI 与 SIC 条件下仍保持优异性能，展现出对实际部署约束的鲁棒性。