[论文解读] Resource Optimization and Power Allocation in In-band Full Duplex (IBFD)-Enabled Non-Orthogonal Multiple Access Networks

Mohammed S. Elbamby, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2017

Full-Duplex Wireless Communications被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种基于Lyapunov优化的联合用户关联、模式选择（HD/FD，OMA/NOMA）与功率分配框架，适用于带内全双工（IBFD）和非正交多址（NOMA）网络。在动态干扰和队列稳定性约束下，该方法在上行链路和下行链路吞吐量方面分别实现了最高63%和73%的增益，在边缘用户吞吐量方面分别实现了21%和17%的增益。

ABSTRACT

In this paper, the problem of uplink (UL) and downlink (DL) resource optimization, mode selection and power allocation is studied for wireless cellular networks under the assumption of in-band full duplex (IBFD) base stations, non-orthogonal multiple access (NOMA) operation, and queue stability constraints. The problem is formulated as a network utility maximization problem for which a Lyapunov framework is used to decompose it into two disjoint subproblems of auxiliary variable selection and rate maximization. The latter is further decoupled into a user association and mode selection (UAMS) problem and a UL/DL power optimization (UDPO) problem that are solved concurrently. The UAMS problem is modeled as a many-to-one matching problem to associate users to small cell base stations (SBSs) and select transmission mode (half/full-duplex and orthogonal/non-orthogonal multiple access), and an algorithm is proposed to solve the problem converging to a pairwise stable matching. Subsequently, the UDPO problem is formulated as a sequence of convex problems and is solved using the concave-convex procedure. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme to allocate UL and DL power levels after dynamically selecting the operating mode and the served users, under different traffic intensity conditions, network density, and self-interference cancellation capability. The proposed scheme is shown to achieve up to 63% and 73% of gains in UL and DL packet throughput, and 21% and 17% in UL and DL cell edge throughput, respectively, compared to existing baseline schemes.

研究动机与目标

• 解决采用带内全双工（IBFD）基站和非正交多址（NOMA）的密集蜂窝网络中的干扰与频谱效率挑战。
• 在队列稳定性约束下，优化上行链路与下行链路的资源分配、用户关联及传输模式选择（HD/FD，OMA/NOMA）。
• 通过联合求解用户关联与功率分配，在动态干扰与自干扰条件下最大化时间平均网络效用。
• 在高密度与高流量场景下，提升频谱效率与用户公平性，尤其改善边缘用户性能。

提出的方法

• 采用Lyapunov优化框架，将问题建模为在队列稳定性约束下的网络效用最大化（NUM）问题。
• 将NUM问题分解为两个子问题：辅助变量选择与速率最大化，二者协同求解。
• 将用户关联与模式选择（UAMS）问题建模为具有成对稳定性保障的多对一匹配博弈，通过一种新型匹配算法求解。
• 通过凸近似序列，利用凸凹逼近法（CCCP）求解上行链路/下行链路功率优化（UDPO）问题。
• 集成连续干扰消除（SIC）以实现NOMA解调，功率分配根据用户信道质量与干扰水平进行优化。
• 基于自干扰消除能力、网络密度与业务负载，实现动态模式选择（FD与HD，NOMA与OMA）。

实验结果

研究问题

• RQ1 如何在IBFD-NOMA网络中联合优化用户关联、传输模式选择（HD/FD，OMA/NOMA）与功率分配，以最大化频谱效率？
• RQ2 自干扰消除能力对IBFD-NOMA系统性能增益有何影响？
• RQ3 网络密度如何影响传输模式（如DL NOMA与FD-OMA）与用户调度的最优选择？
• RQ4 与传统的半双工与正交多址基线方案相比，所提方案在多大程度上可提升边缘用户吞吐量？
• RQ5 在队列稳定性约束下，动态模式选择如何影响时变业务条件下整体系统吞吐量与公平性？

主要发现

• 所提方案相比基线方案，上行链路分组吞吐量最高提升63%，下行链路分组吞吐量最高提升73%。
• 边缘用户吞吐量在上行链路提升21%，下行链路提升17%，表明公平性与可靠性显著增强。
• 在低网络密度下，协作增益较小，但随着密度增加，增益显著提升，14个小型基站时吞吐量增益最高可达55%。
• 随着网络密度增加，系统从DL NOMA转向FD或HD-OMA，因小区间干扰上升，DL NOMA使用减少。
• 即使在自干扰消除能力较低时（如30 dB），该方案仍保持稳健性能，且由于自适应模式切换至UL NOMA，优于FD-OMA基线。
• 在高自干扰消除能力下（如110 dB），更频繁选择FD模式，而UL NOMA使用减少，证实了该方案对硬件能力的自适应性。