[论文解读] On User Pairing in NOMA Uplink

Mohammad Ali Sedaghat, Ralf R. Müller|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 3

一句话总结

本文提出了一种上行链路非正交多址接入（NOMA）的最优与次优用户配对算法，适用于单天线和多天线基站，利用信道状态信息以最大化和速率。文中分析证明，在有限维系统中，最优配对显著优于随机配对，而在大系统极限下两者趋于一致，且所提出的NOMA方案优于现有的基于信号对齐的方法。

ABSTRACT

User pairing in Non-Orthogonal Multiple-Access (NOMA) uplink based on channel state information is investigated considering some predefined power allocation schemes. The base station divides the set of users into disjunct pairs and assigns the available resources to these pairs. The combinatorial problem of user pairing to achieve the maximum sum rate is analyzed in the large system limit for various scenarios, and some optimum and sub-optimum algorithms with a polynomial-time complexity are proposed. In the first scenario, $2M$ users and the base station have a single-antenna and communicate over $M$ subcarriers. The performance of optimum pairing is derived for $M ightarrow \infty$ and shown to be superior to random pairing and orthogonal multiple access techniques. In the second setting, a novel NOMA scheme for a multi-antenna base station and single carrier communication is proposed. In this case, the users need not be aware of the pairing strategy. Furthermore, the proposed NOMA scheme is generalized to multi-antenna users. It is shown that random and optimum user pairing perform similarly in the large system limit, but optimum pairing is significantly better in finite dimensions. It is shown that the proposed NOMA scheme outperforms a previously proposed NOMA scheme with signal alignment.

研究动机与目标

• 分析评估上行链路NOMA中最优用户配对相较于随机配对的性能增益。
• 设计适用于多种系统配置的低复杂度、多项式时间的最优与次优用户配对算法。
• 提出一种新型多天线NOMA上行链路方案，用户无需知晓配对策略，提升实用性。
• 将所提出的NOMA方案与现有基于信号对齐的NOMA及正交多址接入（OMA）技术进行比较。
• 推导单天线与多天线场景下在大系统极限（M→∞）时的和速率渐近性能。

提出的方法

• 本文建立上行链路NOMA模型，包含M个子载波和2M个单天线用户，形成M对互不相交的用户对，并推导在连续干扰 cancellation（SIC）下的和速率。
• 采用大随机矩阵理论分析在M→∞极限下的渐近和速率，推导有效信道矩阵特征值分布的Stieltjes变换。
• 针对多天线基站，提出一种新型NOMA方案，结合波束成形与预编码，用户根据信道质量配对，且无需知晓配对策略。
• 该方法包括一种基于用户信道增益排序的次优配对算法，复杂度为O(M²)，以及一种使用组合优化的近似最优算法，复杂度为O(M³)。
• 通过和速率极限的解析推导，并与随机配对及OMA进行比较，以遍历和速率为度量评估性能。
• 本文推导出有效信道矩阵Ω的渐近特征值分布，表明在i.i.d.衰落条件下其收敛至确定性极限。

实验结果

研究问题

• RQ1 在有限系统维度下，上行链路NOMA中最优用户配对相较于随机配对能带来多大的性能增益？
• RQ2 当子载波数M→∞时，上行链路NOMA中最优用户配对的渐近和速率性能如何？
• RQ3 在实际系统中，低复杂度的次优用户配对算法能否实现接近最优的性能？
• RQ4 所提出的多天线NOMA上行链路方案在和速率与公平性方面，相较于现有基于信号对齐的NOMA与OMA方案表现如何？
• RQ5 在大系统极限下，最优配对与随机配对之间的性能差距是否消失，或在渐近意义上仍显著？

主要发现

• 在有限维系统中，最优用户配对相较于随机配对可实现显著更高的和速率，尤其当用户数较小时增益最为明显。
• 在大系统极限（M→∞）下，最优配对与随机配对的和速率性能趋于一致，表明性能差距在渐近下消失。
• 所提出的多天线基站NOMA方案优于先前提出的基于信号对齐的NOMA方案，尤其在高信噪比（SNR）区域。
• 当M→∞时，最优配对的渐近和速率被解析推导，其表达式包含信道矩阵特征值分布的Stieltjes变换。
• 有效信道矩阵Ω的两个非零特征值以概率收敛至同一值，其表达式由信噪比γ和功率分配比α决定。
• 所推导的渐近和速率表达式证实，即使在大系统极限下，采用最优配对的NOMA仍优于OMA。