[论文解读] Power-Efficient Resource Allocation for MC-NOMA with Statistical Channel State Information

Zhiqiang Wei, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 5, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 21被引用 10

一句话总结

本文提出了一种在统计信道状态信息 at the transmitter (CSIT) 条件下，针对多载波非正交多址接入（MC-NOMA）系统的低复杂度、高能效资源分配方案。通过利用用户服务质量（QoS）异构性来确定逐次干扰消除（SIC）解码顺序，并结合次优功率分配与凝聚聚类式用户调度，该方案最小化了总发射功率，在性能上接近最优，且相较于传统正交多址接入（OMA）有显著增益，尤其在高QoS多样性与用户数量较多时表现更优。

ABSTRACT

In this paper, we study the power-efficient resource allocation for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems. The resource allocation algorithm design is formulated as a non-convex optimization problem which takes into account the statistical channel state information at transmitter and quality of service (QoS) constraints. To strike a balance between system performance and computational complexity, we propose a suboptimal power allocation and user scheduling with low computational complexity to minimize the total power consumption. The proposed design exploits the heterogeneity of QoS requirement to determine the successive interference cancellation decoding order. Simulation results demonstrate that the proposed scheme achieves a close-to-optimal performance and significantly outperforms a conventional orthogonal multiple access (OMA) scheme.

研究动机与目标

• 解决实际5G网络中仅具备统计CSIT时MC-NOMA资源分配缺乏能效优化的问题。
• 建立一个非凸优化问题，以在满足QoS约束的前提下最小化总发射功率。
• 设计一种次优解法，通过分离功率分配与用户调度来降低计算复杂度。
• 利用QoS异构性来确定SIC解码顺序，提升MC-NOMA系统的能效。
• 证明该方案相较于传统OMA可实现显著的功率节省，尤其在用户具有多样化QoS需求时。

提出的方法

• 将MC-NOMA资源分配问题建模为一个具有统计CSIT与QoS约束的非凸混合整数优化问题。
• 将问题分解为两个阶段：子载波上的功率分配与用户调度，从而实现低复杂度的次优设计。
• 基于QoS需求与信道统计特性，推导出子载波上功率分配的闭式解。
• 提出一种显式的SIC解码顺序度量，基于QoS需求的倒数（1/β_i）与有效信道增益（γ̃_i）。
• 采用凝聚层次聚类算法实现低复杂度用户调度，根据QoS与信道质量对用户进行分组。
• 采用全搜索与随机调度作为基准，评估性能与复杂度之间的权衡。

实验结果

研究问题

• RQ1 当仅具备统计CSIT时，如何在MC-NOMA系统中实现能效资源分配？
• RQ2 用户QoS异构性对MC-NOMA系统在功耗方面的性能有何影响？
• RQ3 次优设计能否在显著降低计算复杂度的前提下实现接近最优的性能？
• RQ4 基于QoS严格程度的SIC解码顺序与传统基于信道增益的SIC在NOMA中相比有何差异？
• RQ5 MC-NOMA相较于OMA在功耗降低方面的性能增益如何？该增益如何随用户数与QoS多样性变化？

主要发现

• 所提方案在计算复杂度显著低于全搜索调度的前提下，实现了接近最优的性能。
• 与传统OMA相比，该方案显著降低了总发射功率，且在QoS异构性越高时性能增益越大。
• 在Case II（更高QoS多样性）中，相较于Case I，MC-NOMA的性能增益更大，证明了利用QoS异构性的有效性。
• 当用户-子载波比偏低时（例如K/M ≈ 1），采用随机调度的MC-NOMA功耗可能超过OMA，原因在于用户配对不佳与功率域复用机会有限。
• 随着用户数量增加，所提次优方案与全搜索调度之间的性能差距略有上升，但其计算复杂度仍显著更低。
• 随着用户数量增加，NOMA相较于OMA的功耗降低增益也随之提升，因为更高的QoS与信道增益多样性增强了高效功率域复用的机会。