[论文解读] Energy-Efficient Resource Allocation in NOMA Heterogeneous Networks

Haijun Zhang, Fang Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用 9

一句话总结

该论文提出了一种两步法能量高效资源分配方案，用于下行链路5G非正交多址（NOMA）异构网络，在完美和非完美信道状态信息（CSI）条件下结合用户调度与功率分配，采用凸优化方法。该方案显著提升了系统能量效率，在非完美CSI条件下，与等功率分配的正交频 division 多址（OFDMA）相比，能量效率最高提升27%。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted much recent attention owing to its capability for improving the system spectral efficiency in wireless communications. Deploying NOMA in heterogeneous network can satisfy users' explosive data traffic requirements, and NOMA will likely play an important role in the fifth-generation (5G) mobile communication networks. However, NOMA brings new technical challenges on resource allocation due to the mutual cross-tier interference in heterogeneous networks. In this article, to study the tradeoff between data rate performance and energy consumption in NOMA, we examine the problem of energy-efficient user scheduling and power optimization in 5G NOMA heterogeneous networks. The energy-efficient user scheduling and power allocation schemes are introduced for the downlink 5G NOMA heterogeneous network for perfect and imperfect channel state information (CSI) respectively. Simulation results show that the resource allocation schemes can significantly increase the energy efficiency of 5G NOMA heterogeneous network for both cases of perfect CSI and imperfect CSI.

研究动机与目标

• 解决5G NOMA异构网络中的跨载波干扰与能量消耗挑战。
• 优化用户调度与功率分配，以提升下行链路NOMA异构网络的系统能量效率。
• 在完美和非完美CSI条件下，设计一种次优但高效的资源分配方案。
• 评估所提方案相较于传统OFDMA与等功率分配方法的性能增益。

提出的方法

• 采用两步法：首先通过估计的CSI进行次优用户调度，优先将用户分配给大区宏小区高信道增益用户。
• 应用分数传输功率分配（FTPA）方案，对每个子带进行功率分配优化，以减少干扰并提升能量效率。
• 将功率分配问题建模为凸优化问题，通过梯度辅助的二分搜索算法求解，确保收敛至最优解。
• 实施子带分配策略，为每个小小区分配专用子带，以防止小区间干扰。
• 同时考虑完美与非完美CSI场景，以信道估计误差方差作为性能评估的关键参数。
• 在接收端采用连续干扰消除（SIC）技术，以解码复用在同一子带上的多个用户，从而实现NOMA的频谱效率增益。

实验结果

研究问题

• RQ1 在完美CSI条件下，如何联合优化用户调度与功率分配，以最大化5G NOMA异构网络的能量效率？
• RQ2 在非完美CSI条件下，所提方案的性能退化程度如何？与现有方案相比表现如何？
• RQ3 在小小区数量不同的异构网络中，NOMA相较于OFDMA在能量效率方面优势有多大？
• RQ4 在不同功率分配策略下，小小区数量如何影响系统的能量效率？

主要发现

• 当小小区数量为20、非完美CSI下信道估计误差方差为0.05时，所提NOMA异构网络结合FTPA功率分配的方案，能量效率比采用等功率分配的OFDMA最高提升27%。
• 随着小小区数量的增加，能量效率持续提升，表明基于NOMA的资源分配方案具有良好的可扩展性与鲁棒性。
• 在所有测试场景下，包括完美与非完美CSI条件，NOMA异构网络在能量效率方面始终优于OFDMA异构网络。
• 次优用户调度与基于FTPA的功率分配方案在计算复杂度远低于穷举搜索的情况下，实现了接近最优的性能。
• 随着信道估计误差方差增加，系统能量效率下降，但NOMA方案在非完美CSI下仍优于OFDMA。