[论文解读] Impact of User Pairing on 5G Non-Orthogonal Multiple Access

Zhiguo Ding, Pingzhi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 6被引用 60

一句话总结

本文研究了5G非正交多址（NOMA）系统中的用户配对策略，对比了固定功率分配（F-NOMA）与认知无线电启发的NOMA（CR-NOMA）。研究结果表明，在F-NOMA中，将信道条件差异较大的用户进行配对可最大化和速率；而在CR-NOMA中，配对策略优先考虑较差信道质量用户的QoS要求，使较强用户获得阶数为m的分集增益。主要贡献在于基于用户配对选择，对性能增益与中断行为进行了分析表征。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) represents a paradigm shift from conventional orthogonal multiple access (MA) concepts, and has been recognized as one of the key enabling technologies for 5G systems. In this paper, the impact of user pairing on the performance of two NOMA systems, NOMA with fixed power allocation (F-NOMA) and cognitive radio inspired NOMA (CR-NOMA), is characterized. For FNOMA, both analytical and numerical results are provided to demonstrate that F-NOMA can offer a larger sum rate than orthogonal MA, and the performance gain of F-NOMA over conventional MA can be further enlarged by selecting users whose channel conditions are more distinctive. For CR-NOMA, the quality of service (QoS) for users with the poorer channel condition can be guaranteed since the transmit power allocated to other users is constrained following the concept of cognitive radio networks. Because of this constraint, CR-NOMA has different behavior compared to F-NOMA. For example, for the user with the best channel condition, CR-NOMA prefers to pair it with the user with the second best channel condition, whereas the user with the worst channel condition is preferred by F-NOMA.

研究动机与目标

• 分析用户配对对5G非正交多址（NOMA）系统性能的影响。
• 对比两种NOMA变体：固定功率分配（F-NOMA）与认知无线电启发的NOMA（CR-NOMA）。
• 推导和速率与中断概率的解析表达式，以量化性能增益。
• 识别能够最大化频谱效率并确保QoS保障的最优配对策略。
• 为混合多址系统中的动态用户配对提供设计指导。

提出的方法

• 推导F-NOMA在高信噪比下优于正交多址的概率的确切表达式，并给出高信噪比近似。
• 分析F-NOMA与传统多址之间的和速率差距，表明该差距随配对用户间信道条件差异的增大而增加。
• 提出一种CR-NOMA方案，其中较强用户的发射功率受较弱用户SINR的约束，以保证QoS。
• 推导CR-NOMA中较强用户中断概率的确切表达式，表明其分集阶数为m，即较弱用户的索引。
• 采用遍历速率分析方法，评估在不同用户信道条件下，CR-NOMA相较于传统多址的性能增益。
• 通过仿真验证分析结果，将理论表达式与蒙特卡洛仿真在多个信噪比区间进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 与传统正交多址相比，用户配对如何影响F-NOMA的和速率性能？
• RQ2 在F-NOMA中，为最大化频谱效率，最优用户配对策略是什么？信道条件差异如何影响性能增益？
• RQ3 信道质量较差用户的QoS如何影响CR-NOMA的性能？
• RQ4 在CR-NOMA中，较强用户实现的分集阶数是多少？该阶数如何由配对选择决定？
• RQ5 当较弱用户（m）固定时，较强用户（n）的选择是否会影响CR-NOMA的中断性能？

主要发现

• 在高概率下，F-NOMA的和速率高于正交多址，尤其当用户信道条件差异显著时。
• 当将信道质量最差的用户（m=1）与信道质量最好的用户（n=M）配对时，F-NOMA相较于传统多址的和速率增益显著提升。
• 在CR-NOMA中，较强用户（n）的中断概率主要由较弱用户（m）的信道质量决定，其分集阶数为m。
• 提高m的索引值（即与信道质量更好的弱用户配对）可显著降低CR-NOMA的中断概率，即使在高信噪比下亦然。
• 在CR-NOMA中，当m固定时，选择更强用户（n值更大）作为伙伴对中断概率的增益可忽略不计，这是由于m决定了分集瓶颈。
• 在CR-NOMA中，将最强用户（n=M）与第二好的用户（m=M−1）配对，其遍历速率高于与最差用户（m=1）配对的情况，这与F-NOMA的偏好相反。