[论文解读] HARQ-CC Enabled NOMA Designs With Outage Probability Constraints

Yanqing Xu, Donghong Cai+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用 7

一句话总结

本文提出了一种适用于HARQ-CC增强型NOMA系统的自适应功率分配方案，旨在在严格用户中断概率约束下最小化平均发射功率。通过采用逐次凸逼近（SCA）方法与用户配对的匹配理论，该方案在低复杂度下实现了近似最优性能，显著优于等功率分配方案，尤其在严格的中断要求下表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we aim to design an adaptive power allocation scheme to minimize the average transmit power of a hybrid automatic repeat request with chase combining (HARQ-CC) enabled non-orthogonal multiple access (NOMA) system under strict outage constraints of users. Specifically, we assume the base station only knows the statistical channel state information of the users. We first focus on the two-user cases. To evaluate the performance of the two-user HARQ-CC enabled NOMA systems, we first analyze the outage probability of each user. Then, an average power minimization problem is formulated. However, the attained expressions of the outage probabilities are nonconvex, and thus make the problem difficult to solve. Thus, we first conservatively approximate it by a tractable one and then use a successive convex approximation based algorithm to handle the relaxed problem iteratively. For more practical applications, we also investigate the HARQ-CC enabled transmissions in multi-user scenarios. The user-paring and power allocation problem is considered. With the aid of matching theory, a low complexity algorithm is presented to first handle the user-paring problem. Then the power allocation problem is solved by the proposed SCA-based algorithm. Simulation results show the efficiency of the proposed transmission strategy and the near-optimality of the proposed algorithms.

研究动机与目标

• 解决在严格用户中断概率约束下，HARQ-CC增强型NOMA系统中最小化平均发射功率的挑战。
• 处理在基站仅具备统计信道状态信息（CSI）时，两用户与多用户场景下中断概率表达式的非凸性问题。
• 为多用户NOMA系统中的联合用户配对与功率分配问题，提出一种低复杂度解决方案。
• 通过提供在有限重传次数下仍具紧致性的中断概率近似，确保方案适用于低时延的5G及未来系统。
• 通过仿真验证，展示所提方案相较于传统功率分配与用户配对策略的优越性。

提出的方法

• 推导HARQ-CC增强型NOMA系统中用户信干噪比（SINR）中断概率的紧致近似，确保在重传次数有限时仍具备高精度。
• 在个体用户中断约束下，建立平均功率最小化问题，并通过保守近似方法将非凸问题转化为可处理形式。
• 应用逐次凸逼近（SCA）算法，迭代求解松弛后的优化问题，确保收敛至高质量解。
• 在多用户场景中，采用匹配理论高效求解用户配对问题，显著降低计算复杂度，同时保持性能。
• 将基于匹配理论的用户配对与基于SCA的功率分配相结合，构建两阶段框架，联合优化系统性能。
• 通过使用真实信道模型与系统参数（包括最大发射功率与重传限制）的广泛仿真，验证所提算法的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅具备统计CSI的条件下，如何在HARQ-CC增强型NOMA系统中，于严格用户中断概率约束下最小化平均发射功率？
• RQ2 重传次数与中断要求对NOMA系统中自适应功率分配性能有何影响？
• RQ3 如何在保持近似最优性能的同时，高效求解多用户NOMA系统中的联合用户配对与功率分配问题？
• RQ4 在低时延与高可靠性约束下，所提SCA算法在多大程度上逼近最优解？
• RQ5 基于匹配理论的用户配对算法在精度与复杂度方面，与穷举搜索相比表现如何？

主要发现

• 所提SCA算法在两用户场景下实现了近似最优性能，仿真结果表明其与穷举搜索方法高度一致。
• 在两用户场景中，所提方案显著优于等功率分配（EPA）与频 division multiple access（FDMA）方案，尤其在严格中断约束下（如δ = 0.01）。
• 当用户具有严格中断要求（δ = 0.01）时，随着最大重传次数（T）增加，平均发射功率迅速下降，表明重传机制带来显著增益。
• 所提方案与最优穷举搜索之间的性能差距极小——在K=12用户、δ=0.01时仅损失0.9%，在δ=0.1时损失2.6%，表明基于匹配的用户配对算法具有极高精度。
• 随着中断要求放宽（δ值增大），所提方案与EPA之间的性能差距减小，表明复杂功率分配在高可靠性需求下收益最大。
• 所提SINR中断概率近似即使在重传次数较少时也保持紧致性，使该方案适用于低时延的5G及未来应用。