上行链路通信系统中 NOMA 相对于 OMA 的性能增益研究

本文研究并揭示了上行蜂窝通信系统中非正交多址接入（NOMA）相对于正交多址接入（OMA）的遍历和速率增益（ESG）。我们考虑了在单小区和多小区部署下，配备单天线、多天线以及大规模天线阵列的基站。具体而言，在单天线系统中，我们识别出 NOMA 带来的两类增益：1）由基站与用户间距离差异引起的大尺度远近增益；2）源于多径信道衰落的小尺度衰落增益。此外，我们揭示大尺度远近增益随归一化小区尺寸增大而增加，而小尺度衰落增益在瑞利衰落信道中为一常数，由 $\gamma$ = 0.57721 nat/s/Hz 给出。当将单天线 NOMA 扩展至 $M$ 天线 NOMA 时，我们证明在用户数较多时，单天线 NOMA 所实现的大尺度远近增益和小尺度衰落增益均可提升 $M$ 倍。此外，给定基站配备大规模天线阵列且天线数 $M$ 与用户数 $K$ 之比固定，NOMA 相对于 OMA 的 ESG 随 $M$ 和 $K$ 均线性增长。我们随后将分析进一步扩展至多小区场景。与单小区情形相比，由于非正交传输导致更严重的小区间干扰，多小区系统中的 ESG 有所退化。此外，我们揭示较大的小区尺寸始终有利于单小区和多小区系统中 NOMA 的遍历和速率性能。数值结果验证了所推导分析结果的准确性，并确认了关于不同场景下 NOMA 相对于 OMA 的 ESG 的上述见解。