[论文解读] Adaptive User Pairing for Downlink NOMA System with Imperfect SIC

Nemalidinne Siva Mouni, Abhinav Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用 6

一句话总结

本文提出一种在非完美连续干扰消除（SIC）条件下下行链路非正交多址（NOMA）系统的自适应用户配对（A-UP）算法，推导出功率分配与信道增益的边界条件，以确保NOMA性能优于正交多址（OMA）。该方法根据信干噪比（SINR）与SIC不完善程度，动态选择NOMA或OMA配对，相较于传统方案，在真实非完美SIC条件下实现了更高的可译码和速率（ASR）。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recognized as a key driving technology for the fifth generation (5G) and beyond 5G cellular networks. For a practical dowlink NOMA system with imperfect successive interference cancellation (SIC), we derive bounds on channel coefficients and power allocation factors between NOMA users to achieve higher rates than an equivalent orthogonal multiple access (OMA) system. We propose an adaptive user pairing (A-UP) algorithm for NOMA systems. Through extensive simulations, we show that NOMA with imperfect SIC is not always superior to OMA. Further, the proposed A-UP algorithm results in better performance than state-of-the-art NOMA pairing algorithms in presence of SIC imperfections.

研究动机与目标

• 解决因非完美连续干扰消除（SIC）导致NOMA系统性能下降的问题，该问题削弱了其预期的频谱效率增益。
• 识别在SIC不完善程度较高时，尽管NOMA具有理论优势，但OMA反而表现更优的条件。
• 提出一种自适应用户配对策略，根据用户信道条件与SIC质量，智能选择NOMA或OMA配对。
• 推导出功率分配与信道增益差异的解析边界，以保证在非完美SIC条件下NOMA速率高于OMA速率。
• 通过优化强用户与弱用户速率之间的权衡，提升频谱效率，特别是在存在非完美SIC残留干扰的情况下。

提出的方法

• 推导强用户功率分配比例（$\alpha_s$）的上界，以确保弱用户的NOMA速率高于其OMA速率，表达式为 $\alpha_s^* = \frac{1}{\gamma_w}(\sqrt{1+\gamma_w} - 1)$。
• 推导 $\alpha_s$ 的下界，以确保强用户的NOMA速率高于其OMA速率，表达式为 $\alpha_s > \frac{1}{\gamma_s}(\sqrt{1+\gamma_s} - 1)$。
• 建立SIC不完善因子 $\beta$ 的边界，以确保强用户的NOMA速率仍高于其OMA速率，表达式为 $\beta < \frac{1}{\gamma_s} \left( \frac{1}{\alpha_s} - 1 \right)$。
• 提出一种自适应用户配对（A-UP）算法，基于最小SINR差值选择用户对，确保在SIC不完善条件下的最优配对。
• 在仿真中同时采用对数速率（LR）与离散速率（DR）模型，评估在真实无线信道条件下的性能表现。
• 在不同SIC水平（$\beta$）与用户密度下，将A-UP算法与传统近-远（NF）及均匀信道增益差（UCGD）配对方案进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，非完美SIC会导致NOMA性能劣于OMA？OMA何时为更优选择？
• RQ2 确保NOMA速率高于OMA速率的功率分配（$\alpha_s$）与SIC不完善性（$\beta$）的解析边界为何？
• RQ3 所提出的A-UP算法在非完美SIC条件下，相较于最先进NOMA配对方案，如何提升可译码和速率（ASR）？
• RQ4 在SIC非完美的情况下，NOMA中强用户与弱用户速率之间的权衡是什么？如何实现优化？
• RQ5 在对数速率与离散速率模型下，$\alpha_s$ 与 $\beta$ 的变化如何影响NOMA与OMA的速率？

主要发现

• 在非完美SIC条件下，NOMA并非始终优于OMA；当SIC不完善因子（$\beta$）超过推导出的上界时，NOMA的速率可能低于OMA。
• 当 $\gamma_s = 8.64$ dB 且 $\gamma_w = 3.88$ dB，$\alpha_s = 0.33$ 时，即使在 $\beta = 0.05$ 条件下NOMA速率仍高于OMA，但当 $\beta = 0.2$ 时速率低于OMA，超过所推导边界。
• 所提出的A-UP算法在ASR方面优于传统近-远（NF）与UCGD配对方案，尤其在高SIC不完善性（$\beta = 0.13$）条件下表现更优。
• $\alpha_s$ 的下界确保强用户NOMA速率高于OMA速率，上界确保弱用户同样满足条件，且通过仿真验证了这两个边界的有效性。
• 在 $\beta = 0.02$ 时，强用户在完美SIC下的速率高于非完美SIC，证实了SIC不完善带来的性能损失。
• A-UP算法能有效平衡强用户与弱用户速率之间的权衡，在非完美SIC条件下通过根据信道与SIC状态动态选择配对模式，维持NOMA优势。