[论文解读] Resource Allocation for Downlink NOMA Systems: Key Techniques and Open Issues

S. M. Riazul Islam, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用 12

一句话总结

本文提出了一种基于划分与下一个最大差值的用户配对算法（D-NLUPA），以在下行链路系统中公平分配非正交多址（NOMA）簇之间的频谱增益，结合用户配对与功率分配以提升吞吐量和公平性。结果表明，在服务质量（QoS）约束下，MIMO-NOMA在总速率和中断性能方面优于MIMO-OMA，同时指出了联合优化、多小区干扰以及安全资源分配方面的关键开放挑战。

ABSTRACT

This article presents advances in resource allocation (RA) for downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, focusing on user pairing (UP) and power allocation (PA) algorithms. The former pairs the users to obtain the high capacity gain by exploiting the channel gain difference between the users, while the later allocates power to users in each cluster to balance system throughput and user fairness. Additionally, the article introduces the concept of cluster fairness and proposes the divideand- next largest difference-based UP algorithm to distribute the capacity gain among the NOMA clusters in a controlled manner. Furthermore, performance comparison between multiple-input multiple-output NOMA (MIMO-NOMA) and MIMO-OMA is conducted when users have pre-defined quality of service. Simulation results are presented, which validate the advantages of NOMA over OMA. Finally, the article provides avenues for further research on RA for downlink NOMA.

研究动机与目标

• 通过引入一种公平感知的用户配对策略，解决NOMA簇之间频谱增益分配不均的问题。
• 在预定义服务质量（QoS）要求下，评估MIMO-NOMA相较于MIMO-OMA的性能增益。
• 识别并分析下行链路NOMA系统中资源分配（RA）的关键开放研究挑战。
• 提出一种低复杂度、公平性可控的资源分配框架，以平衡频谱效率与用户公平性。

提出的方法

• 提出基于划分与下一个最大差值的用户配对（D-NLUPA）算法，通过利用信道增益差异来控制NOMA簇之间的总速率增益分布。
• 引入簇公平性作为度量指标，用于量化和调节每个NOMA簇的容量增益，确保性能均衡。
• 在基站采用叠加编码，在用户端采用连续干扰 cancellation（SIC）进行下行链路NOMA信号处理。
• 通过在每个用户固定QoS约束下进行仿真，对比MIMO-NOMA与MIMO-OMA的性能。
• 分析在有限信道反馈、小区间干扰和载波聚合等实际约束下的资源分配。
• 提出采用α-公平性作为低复杂度公平性模型，仅通过一个参数α来平衡资源分配设计中的效率与公平性。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计用户配对策略，以在保持高系统吞吐量的同时，公平分配NOMA簇之间的频谱增益？
• RQ2 当用户具有预定义的QoS要求时，MIMO-NOMA相较于MIMO-OMA的性能增益是多少？
• RQ3 在MIMO-NOMA系统中，联合优化用户配对与功率分配的关键挑战是什么？
• RQ4 在软频率复用（SFR）下，如何设计NOMA系统的资源分配以维持公平性并减少小区间干扰？
• RQ5 在5G网络中设计低复杂度、安全且保障QoS的NOMA资源分配方案时，存在哪些开放问题？

主要发现

• D-NLUPA算法能有效控制NOMA簇之间的总速率增益分布，在各簇间实现均衡性能。
• 仿真结果证实，当应用最优功率分配时，MIMO-NOMA在有效总速率和中断概率方面均优于MIMO-OMA。
• 用户配对与功率分配的联合优化仍是重大挑战，尤其在MIMO-NOMA中，由于预编码和检测矩阵的复杂性而尤为显著。
• 基于路径损耗的用户配对方法（如NLUPA）在MIMO-NOMA中性能下降，这是由于波束成形的随机化效应所致，表明需要新的配对策略。
• 在全双工（FD）多载波（MC）-MIMO-NOMA系统中，资源分配高度复杂且属于NP难问题，需开发新型低复杂度算法以维持NOMA相对于OMA的优越性。
• 将NOMA与软频率复用（SFR）结合可能降低公平性，因为强信号用户（小区中心用户）主导主带宽，导致干扰增加并降低边缘用户速率。