面向5G/6G网络环境的MIMO-NOMA系统中基于三维用户聚类的节能动态功率分配

《Scientific Reports》：Energy efficient three-dimensional user clustering for dynamic power allocation in MIMO-NOMA systems towards 5G/6G network environments

　　随着向5G和6G无线网络的演进，需要创新的资源分配策略来应对前所未有的容量和可靠性要求，尤其是在具有显著垂直用户分布的密集城市环境中。传统的二维用户聚类和功率分配方案无法充分利用三维场景（如高层建筑、无人机辅助通信和多楼层室内场馆）中的完整空间分集，导致性能次优和资源分配不公平。本文提出了首个用于MIMO-NOMA系统的全三维（3D）用户聚类算法，在统一的空间度量中联合考虑用户距离、高度和到达角度——超越了仅使用仰角的先前部分3D方法。与顺序方法不同，我们通过联合凸优化框架将3D聚类与动态功率分配（DPA）方案集成，在最大化系统总速率的同时最小化簇内空间分散度。我们通过凸优化构建了一个联合优化框架，在最大化系统总速率的同时最小化簇内空间分散度。通过使用Neumann级数近似，算法复杂度从O(NM3)降低到O(NM)，实现了实时部署。基于3GPP 3D-UMa信道模型的大量仿真实验表明：(1) 106.0 bps/Hz系统容量（相比2D MIMO-OMA提升47%，相比3D MIMO-OMA提升15%），(2) 54.1 bps/Hz/W能效（提升48%），(3) 0.978公平性指数（提升32%），(4) 在20 dB信噪比下接近零的中断概率，以及(5) 99.99%的可靠性，满足URLLC要求。