[论文解读] Outage Balancing in Downlink Non-Orthogonal Multiple Access With Statistical Channel State Information

Sulong Shi, Longxiang Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用 9

一句话总结

本文提出了一种在统计信道状态信息（CSI）下用于下行非正交多址（NOMA）系统的中断平衡框架，通过联合优化功率分配与检测顺序，以最大-最小中断准则最大化公平性。该文推导出闭式最优功率分配方案并证明了最优检测顺序，同时分析了用户分组以降低连续干扰消除（SIC）的复杂度，结果表明其在性能上显著优于正交多址（OMA）。

ABSTRACT

This paper considers a downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) system where the source intends to transmit independent information to the users at targeted data rates under statistical channel state information at the transmitter. The problem of outage balancing among the users is studied with the issues of power allocation, decoding order selection, and user grouping being taken into account. Specifically, with regard to the max-min fairness criterion, we derive the optimal power allocation in closed-form and prove the corresponding optimal decoding order for the elementary downlink NOMA system. By assigning a weighting factor for each user, the analytical results can be used to evaluate the outage performance of the downlink NOMA system under various fairness constraints. Further, we investigate the case with user grouping, in which each user group can be treated as an elementary downlink NOMA system. The associated problems of power and resource allocation among different user groups are solved. The implementation complexity issue of NOMA is also considered with focus on that caused by successive interference cancellation and user grouping. The complexity and performance tradeoff is analyzed by simulations, which provides fruitful insights for the practical application of NOMA. The simulation results substantiate our analysis and show considerable performance gain of NOMA when compared with orthogonal multiple access.

研究动机与目标

• 解决在发射端仅具备统计CSI时，下行NOMA系统中中断公平性的问题。
• 联合优化功率分配与检测顺序，在最大-最小公平性准则下平衡用户间的中断概率。
• 引入加权因子以建模超越最大-最小公平性的灵活公平性约束。
• 研究用户分组策略以降低NOMA系统中连续干扰消除（SIC）的复杂度。
• 分析实际NOMA部署中系统性能与实现复杂度之间的权衡。

提出的方法

• 将中断平衡问题建模为具有目标速率和统计CSI的约束优化问题。
• 针对最大-最小公平性准则下的基本NOMA系统，推导出闭式最优功率分配方案。
• 证明最优检测顺序对应于按有效信道增益递增顺序排列用户，从而确保中断平衡。
• 为每个用户引入加权因子，以推广公平性约束以超越最大-最小公平性。
• 将用户分组建模为多个独立的NOMA簇，每个簇视为一个基本NOMA系统。
• 在用户组间优化功率与资源分配，同时分析由此产生的复杂度-性能权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 在仅具备统计CSI的下行NOMA系统中，如何获得能够平衡用户间中断概率的最优功率分配策略？
• RQ2 在统计CSI下，应如何选择检测顺序以实现NOMA中的最大-最小公平性？
• RQ3 如何通过用户分组降低NOMA系统中连续干扰消除（SIC）的复杂度？
• RQ4 在应用用户分组与功率分配策略时，NOMA的性能-复杂度权衡如何体现？
• RQ5 在统计CSI下，加权因子如何影响NOMA的公平性与中断性能？

主要发现

• 本文推导出最优功率分配的闭式解，可最小化用户间最大中断概率。
• 证明最优检测顺序为按有效信道增益递增顺序排列用户，从而确保均衡的中断性能。
• 所提出的含加权因子的框架可实现灵活的公平性控制，允许在用户中断概率之间进行权衡。
• 用户分组显著降低了SIC复杂度，因为SIC复杂度随组大小线性增长。
• 仿真结果证实，NOMA在中断性能与公平性方面均优于正交多址（OMA），尤其在统计CSI条件下表现更优。
• 分析揭示了清晰的性能-复杂度权衡，用户分组为实际NOMA部署提供了可行路径。