[论文解读] Optimal Joint Power and Subcarrier Allocation for Full-Duplex Multicarrier Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2016

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用 21

一句话总结

本文提出了一种全双工多载波非正交多址（FD-MC-NOMA）系统中用于最大化加权和吞吐量的最优联合功率与子载波分配算法。通过单调优化方法，该方法在实现高 spectral efficiency 和公平性的同时，达到近似最优性能，显著优于传统的半双工正交多址（HD-OMA）系统。

ABSTRACT

In this paper, we investigate resource allocation algorithm design for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems employing a full-duplex (FD) base station (BS) for serving multiple half-duplex (HD) downlink (DL) and uplink (UL) users simultaneously. The proposed algorithm is obtained from the solution of a non-convex optimization problem for the maximization of the weighted sum system throughput. We apply monotonic optimization to develop an optimal joint power and subcarrier allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a system performance benchmark due to its high computational complexity. Furthermore, a suboptimal iterative scheme based on successive convex approximation is proposed to strike a balance between computational complexity and optimality. Our simulation results reveal that the proposed suboptimal algorithm achieves a close-to-optimal performance. Besides, FD MC-NOMA systems employing the proposed resource allocation algorithms provide a substantial system throughput improvement compared to conventional HD multicarrier orthogonal multiple access (MC-OMA) systems and other baseline schemes. Also, our results unveil that the proposed FD MC-NOMA systems achieve a fairer resource allocation compared to traditional HD MC-OMA systems.

研究动机与目标

• 解决传统半双工多载波正交多址（HD-MC-OMA）系统中频谱资源利用不足的问题。
• 通过全双工（FD）基站实现上下行链路同时传输，克服现有非正交多址（NOMA）系统中资源分配次优的局限性。
• 设计一种最优联合功率与子载波分配策略，以最大化 FD-MC-NOMA 系统中的加权和系统吞吐量。
• 尽管计算复杂度较高，仍通过全局最优解为 FD-MC-NOMA 系统提供性能基准。
• 提出一种基于连续凸逼近（Successive Convex Approximation, SCA）的低复杂度次优迭代算法，以在性能与复杂度之间取得平衡。

提出的方法

• 建立一个非凸优化问题，以在联合功率与子载波分配下最大化 FD-MC-NOMA 系统的加权和吞吐量。
• 应用单调优化理论求解该非凸问题，并推导出全局最优的资源分配策略。
• 引入拉格朗日松弛的对偶问题公式，并利用弱对偶性建立最优性条件。
• 利用对偶变量中对偶函数的单调性，证明在最优条件下对偶间隙为零。
• 提出一种基于连续凸逼近（SCA）的次优迭代算法，以降低计算复杂度，同时保持接近最优的性能。
• 通过迭代求解原始非凸问题的凸近似，确保算法的可行性与收敛性。

实验结果

研究问题

• RQ1 最优 FD-MC-NOMA 系统相较于传统 HD-MC-OMA 系统，可实现的最大频谱效率增益是多少？
• RQ2 在 FD-MC-NOMA 系统中，联合功率与子载波分配如何影响系统公平性与吞吐量？
• RQ3 次优迭代算法能否在显著降低复杂度的同时，实现接近最优解的性能？
• RQ4 单调优化在求解 FD-MC-NOMA 系统中非凸资源分配问题时发挥何种作用？
• RQ5 自干扰与同频干扰的存在如何影响 FD-MC-NOMA 系统中资源分配的设计？

主要发现

• 所提出的最优资源分配策略相较于传统 HD-MC-OMA 系统及次优基准方案，实现了显著的系统吞吐量增益。
• 基于连续凸逼近的次优迭代算法性能非常接近最优解，是一种实用的替代方案。
• 采用所提算法的 FD-MC-NOMA 系统相比传统 HD-MC-OMA 系统，实现了更公平的资源分配。
• 通过单调优化推导出最优解，确保了在问题非凸性条件下的全局最优性。
• 证明了在最优解下对偶间隙为零，验证了基于对偶方法的有效性。
• 仿真结果证实，所提出的 FD-MC-NOMA 系统通过同时利用多用户分集增益与全双工操作，显著提升了频谱效率。