[论文解读] Fairness Comparison of Uplink NOMA and OMA

Zhiqiang Wei, Jiajia Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 4

一句话总结

本文通过分析用户速率对系统总速率的贡献，提出了一种基于公平性的上行链路 NOMA 与 OMA 之间的选择准则。通过引入基于 Jain 指数的闭式公平性指标，确定在非对称信道中 NOMA 相较于 OMA 是否提供更好的公平性，并设计了一种自适应选择 NOMA 或 OMA 的混合 NOMA-OMA 方案，仿真结果验证了该方案显著提升了用户公平性，其 Jain 指数达到 0.91。

ABSTRACT

In this paper, we compare the resource allocation fairness of uplink communications between non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes and orthogonal multiple access (OMA) schemes. Through characterizing the contribution of the individual user data rate to the system sum rate, we analyze the fundamental reasons that NOMA offers a more fair resource allocation than that of OMA in asymmetric channels. Furthermore, a fairness indicator metric based on Jain's index is proposed to measure the asymmetry of multiuser channels. More importantly, the proposed metric provides a selection criterion for choosing between NOMA and OMA for fair resource allocation. Based on this discussion, we propose a hybrid NOMA-OMA scheme to further enhance the users fairness. Simulation results confirm the accuracy of the proposed metric and demonstrate the fairness enhancement of the proposed hybrid NOMA-OMA scheme compared to the conventional OMA and NOMA schemes.

研究动机与目标

• 分析在非对称信道条件下，NOMA 为何在上行链路系统中能提供比 OMA 更好的资源分配公平性。
• 为两用户系统开发一种定量公平性指标度量，以确定 NOMA 在何种情况下比 OMA 更公平。
• 设计一种混合 NOMA-OMA 方案，根据所提出的公平性度量自适应地在 NOMA 和 OMA 之间进行选择，以进一步提升公平性。
• 通过仿真验证所提度量的准确性，并展示混合方案在公平性方面的增益。

提出的方法

• 通过表征每个用户数据速率对系统总速率的贡献，解释 NOMA 在非对称信道中固有的公平性优势。
• 提出一种基于信道增益比与阈值 β 的闭式公平性指标度量，该度量由 NOMA 的 Jain 公平性指数超过 OMA 的条件推导得出。
• 引入公平性度量的高信噪比近似，以在实际条件下简化决策过程。
• 设计一种混合 NOMA-OMA 方案，当公平性度量表明 NOMA 更公平时选择 NOMA，否则选择 OMA。
• 采用 Jain 指数作为公平性度量，对 NOMA、OMA 和混合方案的公平性表现进行定量评估与比较。
• 采用蒙特卡洛仿真，结合瑞利衰落信道与 3GPP 路损模型，验证所提度量与方案的有效性。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何在具有非对称信道增益的上行链路系统中，NOMA 本身能提供比 OMA 更好的资源分配公平性？
• RQ2 在何种信道条件下，NOMA 在用户速率分配方面比 OMA 更公平？
• RQ3 能否推导出一种闭式度量，以预测在两用户上行链路系统中 NOMA 是否会在公平性方面优于 OMA？
• RQ4 与独立的 NOMA 或 OMA 相比，自适应混合 NOMA-OMA 方案如何提升公平性？
• RQ5 所提出的混合方案在多载波系统中，对低速率用户公平性的提升程度如何？

主要发现

• 所提出的公平性指标度量能准确预测 NOMA 是否比 OMA 更公平，仿真结果与理论预测高度吻合。
• 在高信噪比区域，NOMA 比 OMA 更公平的概率为 0.75–0.8，主要归因于信道增益比与用户速率之间的对数映射关系。
• 混合 NOMA-OMA 方案的 Jain 公平性指数达到 0.91，显著高于 NOMA（0.76）和 OMA（0.62）。
• 与 NOMA 相比，混合方案中第 10 百分位用户速率提高了约 1 bit/s/Hz，表明低速率用户的性能得到显著改善。
• 在高发射功率区域，由于强用户受干扰限制，NOMA 的公平性下降，但其比 OMA 更公平的概率仍约为 0.75。
• 随着发射功率增加，NOMA 比 OMA 更公平的概率下降，因为在高功率区域 NOMA 受到干扰限制。