[论文解读] Resource Management in Non-orthogonal Multiple Access Networks for 5G and Beyond

Lingyang Song, Yonghui Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用 6

一句话总结

本文提出了一种面向5G及未来网络中非正交多址接入（NOMA）的博弈论无线电资源管理框架，涵盖功率域和码域NOMA。通过引入非合作博弈、合作博弈、匹配博弈和竞争控制博弈，优化用户配对、功率分配和子载波分配，在高干扰和大规模连接场景下显著提升了频谱效率和用户公平性。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes have been proposed for the next generation of mobile communication systems to improve the access efficiency by allowing multiple users to share the same spectrum in a non-orthogonal way. Due to the strong co-channel interference among mobile users introduced by NOMA, it poses significant challenges for system design and resource management. This article reviews resource management issues in NOMA systems. The main taxonomy of NOMA is presented by focusing on the following two categories: power-domain NOMA and code-domain NOMA. Then a novel radio resource management framework is presented based on game-theoretic models for uplink and downlink transmissions. Finally, potential applications and open research directions in the area of resource management for NOMA are provided.

研究动机与目标

• 解决在大规模用户接入场景下，5G小细胞网络中同频干扰和频谱效率的挑战。
• 克服正交多址接入（OMA）在处理高用户密度和有限频谱时的局限性。
• 为功率域和码域NOMA开发统一的无线电资源管理框架。
• 利用博弈论模型实现在上行链路和下行链路NOMA系统中的高效、可扩展且公平的资源分配。
• 探索混合NOMA、MIMO-NOMA、协作NOMA和认知NOMA等开放研究方向，以支持未来网络的演进。

提出的方法

• 提出基于非合作功率控制博弈的博弈论框架，用于上行链路NOMA，以优化功率分配和用户分组。
• 在下行链路PD-NOMA中应用合作博弈，实现用户协作聚类和子载波分配。
• 在下行链路CD-NOMA中使用匹配博弈，基于信道质量和干扰约束高效配对用户。
• 在上行链路CD-NOMA中采用竞争控制博弈，通过动态调整竞争窗口长度来解决冲突。
• 引入演化博弈以建模混合NOMA，用户根据信道条件和收益最大化在OMA和NOMA模式间切换。
• 利用拍卖博弈和斯塔克尔贝格博弈，在协作NOMA和认知NOMA场景中实现功率与频谱的联合分配。

实验结果

研究问题

• RQ1 博弈论模型如何被有效应用于优化NOMA上行链路和下行链路传输中的功率和子载波分配？
• RQ2 在PD-NOMA和CD-NOMA中，如何实现最优的用户配对与分组策略以最大化频谱效率和公平性？
• RQ3 如何通过逐次干扰消除（SIC）和博弈论资源协调来管理非正交用户复用带来的干扰？
• RQ4 基于信道条件动态在OMA和NOMA之间切换的混合NOMA系统在性能增益和设计挑战方面如何？
• RQ5 如何将协作和认知无线电原理与NOMA结合，以提升频谱效率并支持异构QoS需求？

主要发现

• 在PD-NOMA中采用博弈论资源分配，通过上行链路和下行链路的非合作博弈与合作博弈，显著提升了频谱效率和用户公平性。
• 在CD-NOMA中使用匹配博弈，通过将用户信道质量与资源可用性对齐，实现高效用户配对，降低干扰并提升吞吐量。
• 在上行链路CD-NOMA中采用竞争控制博弈，通过迭代调整竞争窗口长度，有效解决冲突问题，提高接入成功率。
• 演化博弈模型表明，混合NOMA能够根据信道增益和收益动态选择每个用户的最优多址接入模式（OMA或NOMA），降低复杂度并保持性能。
• 在协作NOMA中采用斯塔克尔贝格博弈和拍卖博弈，通过将中继建模为拍卖人、源用户建模为竞标者，实现高效的中继传输，优化功率与频谱分配。
• 在认知NOMA中采用契约博弈，通过激励相容的支付机制实现主用户与次用户之间的协作，提升频谱利用率和干扰控制能力。