[论文解读] Optimal Throughput Fairness Trade-offs for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access over Fading Channels

Hong Xing, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用 5

一句话总结

该论文针对衰落信道下的两用户下行链路非正交多址（NOMA）系统，提出了最优功率分配策略，以平衡频谱效率与用户公平性。在完整和部分信道状态信息（CSIT）条件下，利用拉格朗日对偶分解方法，推导出适用于延迟容忍（遍历和速率）与延迟受限（吞吐量）传输的最优资源分配方案，并证明在公平性约束下，NOMA相较于正交多址（OMA）在和速率方面具有优越性。

ABSTRACT

Recently, non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted considerable interest as one of the 5G-enabling techniques. However, users with better channel conditions in downlink communications intrinsically benefits from NOMA thanks to successive decoding, judicious designs are required to guarantee user fairness. In this paper, a two-user downlink NOMA system over fading channels is considered. For delay-tolerant transmission, the average sum-rate is maximized subject to both average and peak power constraints as well as a minimum average user rate constraint. The optimal resource allocation is obtained using Lagrangian dual decomposition under full channel state information at the transmitter (CSIT), while an effective power allocation policy under partial CSIT is also developed based on analytical results. In parallel, for delay-limited transmission, the sum of delay-limited throughput (DLT) is maximized subject to a maximum allowable user outage constraint under full CSIT, and the analysis for the sum of DLT is also performed under partial CSIT. Furthermore, an optimal orthogonal multiple access (OMA) scheme is also studied as a benchmark to prove the superiority of NOMA over OMA under full CSIT. Finally, the theoretical analysis is verified by simulations via different trade-offs for the average sum-rate (sum-DLT) versus the minimum (maximum) average user rate (outage) requirement.

研究动机与目标

• 解决下行链路NOMA系统中，由于信道条件更优的用户天然受益于逐次干扰 cancellation（SIC）而导致的用户公平性问题。
• 针对延迟容忍传输，最大化平均和速率，受限于平均功率与峰值功率约束，以及最小平均用户速率约束。
• 针对延迟受限传输，最大化用户延迟受限吞吐量之和，受限于最大用户中断概率约束。
• 在完整CSIT条件下建立最优OMA基准，以验证NOMA的优越性。
• 基于分析结果，提出在部分CSIT条件下的有效功率分配策略。

提出的方法

• 在完整CSIT条件下，针对延迟容忍与延迟受限两种场景，使用拉格朗日对偶分解求解最优功率分配问题。
• 通过利用强对偶性与Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件，推导出最优功率分配的闭式表达式。
• 基于完整CSIT解的分析洞见，提出一种在部分CSIT条件下有效的功率分配策略。
• 将系统建模为具有瑞利衰落和逐次干扰取消（SIC）的两用户下行链路NOMA衰落信道。
• 分析NOMA与OMA的遍历和速率与中断概率，使用统计信道状态信息。
• 对和速率（或和D-LT）与公平性度量（最小速率或中断概率）之间的权衡进行理论分析，并通过仿真验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 在衰落信道下，如何设计两用户下行链路NOMA系统的最优功率分配，以在确保最小平均用户速率的同时最大化和速率？
• RQ2 在施加公平性约束时，NOMA相较于OMA在和速率方面能获得多大的性能增益？
• RQ3 在具有公平性约束的NOMA系统中，与完整CSIT相比，部分CSIT下的系统性能如何变化？
• RQ4 在部分CSIT条件下，何种最优功率分配策略可同时维持公平性与频谱效率？
• RQ5 在NOMA系统中，和速率与用户公平性（最小速率）或中断概率（延迟受限吞吐量）之间的权衡行为如何表现？

主要发现

• 在完整CSIT条件下，NOMA的最优功率分配在相同公平性约束下实现的和速率高于OMA，证明了NOMA的优越性。
• 针对延迟容忍传输，通过拉格朗日对偶分解推导出最优功率分配，确保在平均与峰值功率约束下的可行性与最优性。
• 针对延迟受限传输，通过中断概率模型推导出解析解，在最大用户中断概率约束下最大化延迟受限吞吐量之和。
• 在部分CSIT条件下，提出一种有效的功率分配策略，其性能接近完整CSIT下的最优解。
• 理论分析证实，即使在公平性约束下，NOMA在和速率方面仍优于OMA，仿真结果验证了和速率与最小用户速率或中断概率之间的权衡关系。
• 基于中断与速率约束，推导出NOMA下遍历速率的分段表达式，反映了功率分配对用户性能的影响。