王正強(qiáng)，成蕖，樊自甫，萬曉榆

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非正交多址系統(tǒng)資源分配研究綜述

王正強(qiáng)，成蕖，樊自甫，萬曉榆

（重慶郵電大學(xué)，重慶 400065）

非正交多址（NOMA）是5G無線網(wǎng)絡(luò)的一個重要候選技術(shù)，可以滿足下一代移動通信系統(tǒng)低時延、低功耗、高可靠、高吞吐量、廣覆蓋等需求。NOMA通過在發(fā)送端采用疊加編碼和接收端采用串行干擾消除來實(shí)現(xiàn)在同一資源塊復(fù)用多個用戶數(shù)據(jù)，從而相對于傳統(tǒng)的正交多址接入方式提高了頻譜效率。概述了NOMA系統(tǒng)資源分配的研究現(xiàn)狀，其中包括單載波NOMA的資源分配、多載波NOMA的資源分配、協(xié)作NOMA中繼的資源分配、硬件損傷條件下協(xié)作NOMA的資源分配。最后，總結(jié)了當(dāng)前研究中存在的主要問題，討論了NOMA資源分配技術(shù)的研究挑戰(zhàn)和未來研究方向。

非正交多址；資源分配；單載波；多載波；中繼；硬件損傷

1 引言

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)、社交網(wǎng)絡(luò)和物聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，移動智能終端日益普及，爆炸式增長的移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)對無線通信系統(tǒng)的要求越來越高；同時，爆發(fā)式增長的數(shù)據(jù)流量給有限的頻譜資源也帶來了巨大的挑戰(zhàn)[1-2]。因此，能夠支持更多用戶連接、更高頻譜效率和能量效率的新型多址接入技術(shù)成為5G產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界一個迫切需要解決的難題和研究熱點(diǎn)[3]。在最新的5G新型多址技術(shù)研究中，基于功率域復(fù)用的非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術(shù)是5G網(wǎng)絡(luò)的一個重要的候選技術(shù)，日益受到產(chǎn)業(yè)界的重視，不僅可滿足5G在頻譜效率和連接數(shù)等方面的需求，還可以滿足低時延、高可靠性、大規(guī)模連接、提高公平性和高吞吐量的異構(gòu)需求[4-6]。與傳統(tǒng)的正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）方案不同，NOMA可以利用功率域、時域、頻域、碼域來實(shí)現(xiàn)多路訪問，在發(fā)送機(jī)端采用非正交發(fā)送，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）技術(shù)按照一定的順序進(jìn)行多用戶檢測、正確解調(diào)以及干擾消除，以便獲得自己的信息[7]。近年來，在工業(yè)界和學(xué)術(shù)界已經(jīng)研究了許多NOMA技術(shù)，例如交織分多址接入（interleave division multiple access，IDMA）、比特分割多路復(fù)用（bit division multiplexing，BDM）、稀疏碼多址接入（sparse code multiple access，SCMA）、多用戶共享訪問接入（multi-user sharing access，MUSA）和模式分割多址（pattern division multiple access，PDMA）[8]。NOMA技術(shù)相對于傳統(tǒng)的OMA技術(shù)具有如下優(yōu)點(diǎn)：更高的頻譜效率、更高的小區(qū)邊緣吞吐量、更低的傳輸?shù)却龝r間、增強(qiáng)的用戶公平性和更多的用戶連接數(shù)[2]等?；贜OMA技術(shù)的以上優(yōu)點(diǎn)，尤其是滿足未來寬帶無線通信技術(shù)的高頻譜效率和大連接需求，已成為當(dāng)前研究的一項關(guān)鍵技術(shù)和熱點(diǎn)。用戶功率域的非正交性使得資源分配算法在NOMA系統(tǒng)中變得尤為重要，只有通過有效的資源分配算法才能保證NOMA系統(tǒng)接收端的用戶數(shù)據(jù)被有效解碼，實(shí)現(xiàn)更大的用戶連接數(shù)、更高的頻譜效率和能量效率?？紤]NOMA系統(tǒng)采用的載波數(shù)目和是否采用協(xié)作通信技術(shù)，當(dāng)前研究中的NOMA系統(tǒng)分配問題主要可以分為基于單載波NOMA[9-22]、基于多載波NOMA[23-41]、基于協(xié)作NOMA[42-54]和硬件損傷條件下協(xié)作NOMA[55-57]資源分配4個方面。

2 NOMA資源分配

2.1 單載波NOMA資源分配

當(dāng)NOMA原理被應(yīng)用于單個正交資源塊即單載波時，實(shí)現(xiàn)多址接入的頻譜有效方式是利用功率域，大部分工作是在圖1的系統(tǒng)模型下進(jìn)行研究的。參考文獻(xiàn)[9]考慮只有兩個用戶的下行NOMA系統(tǒng)，在基站總功率和用戶最小速率需求的約束條件下，研究了系統(tǒng)的和速率最大化問題?；趦?yōu)化問題的KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件，得出帶有閉式解的最優(yōu)功率分配方案。參考文獻(xiàn)[10]在固定功率分配下，研究單載波NOMA系統(tǒng)的用戶配對對于系統(tǒng)性能的影響，證明了當(dāng)配對用戶的信道增益差異越大時，采用固定功率分配的NOMA系統(tǒng)的和速率比OMA方式的和速率越高。參考文獻(xiàn)[11]考慮MIMO-NOMA分層傳輸系統(tǒng)中的最佳功率分配，在復(fù)用兩個用戶情況下提出一種分層傳輸?shù)腗IMO-NOMA總速率最大化算法。參考文獻(xiàn)[12]研究MIMO-NOMA系統(tǒng)的遍歷容量最大化問題。首先得出最優(yōu)的信道輸入?yún)f(xié)方差矩陣，然后提出最優(yōu)功率分配方案和低復(fù)雜度的次優(yōu)功率分配方案。因?yàn)闊o法獲得功率分配的閉式表達(dá)式，因此在總傳輸功率限制和最小速率約束條件下，采用二分搜索法來獲得用戶2的功率分配，最大化系統(tǒng)的遍歷容量。而后，為了降低復(fù)雜度，由于優(yōu)化問題的解位于可行區(qū)域的邊界上，還提出了近似最優(yōu)功率分配算法。結(jié)果表明，提出的NOMA方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)正交多址方案。參考文獻(xiàn)[13]基于用戶分簇研究了MIMO-NOMA系統(tǒng)的公平性，研究了動態(tài)用戶分配和功率優(yōu)化問題。由于將用戶分配到不同簇是一個NP問題，因此，本文提出了次優(yōu)算法。與窮舉搜索方法相比，所提算法在吞吐量和復(fù)雜性之間實(shí)現(xiàn)了很好的折中。參考文獻(xiàn)[14]基于比例公平調(diào)度準(zhǔn)則，研究了兩個用戶下行NOMA系統(tǒng)，提出了最大系統(tǒng)和速率與最大最小用戶速率的兩種功率分配算法。參考文獻(xiàn)[15]研究基于NOMA的無線能量傳輸網(wǎng)絡(luò)中的資源分配問題，給出了聯(lián)合優(yōu)化基站發(fā)射功率、能量采集和信息傳輸時間的算法以最大化系統(tǒng)速率。仿真結(jié)果表明與固定發(fā)射功率的NOMA方案相比，所提方案可以實(shí)現(xiàn)更高的速率與系統(tǒng)公平性。參考文獻(xiàn)[16]在總發(fā)射功率和用戶最小速率約束下，研究衰落MIMO-NOMA系統(tǒng)的能效優(yōu)化問題，提出了近似最優(yōu)功率分配方案，并獲得了次優(yōu)閉式解。仿真結(jié)果表明所提NOMA方案在頻譜效率和能量效率方面優(yōu)于傳統(tǒng)的OMA方案。參考文獻(xiàn)[17]在多用戶下行系統(tǒng)中從能效角度研究了基于認(rèn)知無線電技術(shù)啟發(fā)的NOMA系統(tǒng)。在每個主用戶受服務(wù)質(zhì)量約束的條件下，最大化系統(tǒng)的能效。仿真結(jié)果表明NOMA比傳統(tǒng)的OMA能效更高。參考文獻(xiàn)[18]基于單輸入單輸出（single input single output，SISO）NOMA下行系統(tǒng)，在用戶最小速率需求約束下，提出一種內(nèi)外兩層迭代算法來最大化系統(tǒng)能效。其中內(nèi)層算法在固定系統(tǒng)能效的情況下對用戶進(jìn)行功率分配，外層算法采用二分法搜索能效。仿真結(jié)果表明NOMA系統(tǒng)獲得的能效優(yōu)于傳統(tǒng)OMA方案。參考文獻(xiàn)[19]推導(dǎo)了理想信道下單載波NOMA系統(tǒng)中基于比例公平調(diào)度的最優(yōu)功率分配的閉式解，并聯(lián)合功率分配和用戶集選擇設(shè)計了一種低復(fù)雜度算法。結(jié)果表明，所提出方案所獲得的吞吐量接近上限，且相比傳統(tǒng)OMA、分式發(fā)射功率分配（fractional transmit power allocation，F(xiàn)TPA）等方案性能最優(yōu)。參考文獻(xiàn)[20]采用Stackelberg博弈研究了NOMA系統(tǒng)基于定價的功率分配問題來最大化基站的收益，通過引入輔助變量將基站優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為3個優(yōu)化子問題，進(jìn)一步利用凸優(yōu)化和交替優(yōu)化來分配用戶功率，仿真結(jié)果表明所提算法比等功率分配算法提高了基站收益。參考文獻(xiàn)[21]針對NOMA系統(tǒng)提出了一種新的基于定價的功率分配算法。首先，針對兩個用戶的情況給出閉式解，分析表明基站的最優(yōu)策略為向兩個用戶或僅向信道較好的用戶分配功率；然后，針對用戶數(shù)目多余兩個的情況，提出了基于兩用戶輪詢配對的迭代算法。仿真結(jié)果表明所提出算法在基站的收益和用戶的和速率方面更優(yōu)[20]。考慮用戶之間的速率公平比例約束條件，參考文獻(xiàn)[22]采用Stackelberg博弈研究了NOMA系統(tǒng)基于定價機(jī)制下基站收益最大化問題。首先通過用戶功率和速率之間的對應(yīng)關(guān)系，將基站的功率分配問題轉(zhuǎn)化為速率優(yōu)化問題；進(jìn)一步利用速率優(yōu)化問題的單調(diào)性，提出了在速率公平比例約束條件下NOMA系統(tǒng)基于定價的最優(yōu)功率分配算法。

2.2 多載波NOMA的資源分配

由于資源分配的靈活性和多用戶分集增益，多載波技術(shù)[23]已在過去的寬帶無線通信中被大量采用。在傳統(tǒng)的多載波系統(tǒng)中，給定的頻譜資源被分成多個子載波，而每個子載波至多分配給一個用戶使用，有效避免多用戶干擾。然而這樣的分配方式卻不能達(dá)到容量區(qū)域的上界，特別是當(dāng)系統(tǒng)保證用戶公平性時，會將部分子載波專門分配給信道質(zhì)量較差的用戶使用，從而會造成頻譜資源的浪費(fèi)[24-25]。因此，聯(lián)合多載波技術(shù)和NOMA技術(shù)的多載波NOMA接入方式可以進(jìn)一步提高頻譜利用效率，這已經(jīng)成了未來寬帶無線通信接入技術(shù)的一個演進(jìn)方向。對于多載波的資源分配，參考文獻(xiàn)[26]在圖2的系統(tǒng)模型下，通過聯(lián)合子載波分配和功率分配優(yōu)化多載波NOMA系統(tǒng)的加權(quán)和速率。因?yàn)閮?yōu)化問題是NP問題，所以將子信道分配問題轉(zhuǎn)化為多對多的用戶與子信道雙向匹配問題，提出用戶—子信道交互匹配算法（user- subchannel swap-matching algorithm，USMA-1）與USMA-2兩種算法，將功率分配問題轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃問題，最后采用聯(lián)合子信道和功率分配算法（joint subchannel and power allocation algorithm，JSPA）。仿真結(jié)果表明所提算法在用戶和速率和公平性方面都優(yōu)于傳統(tǒng)的OFDMA（orthogonal frequency division multiple access）方案。參考文獻(xiàn)[27]研究兩個用戶多載波NOMA系統(tǒng)，在用戶傳輸速率和最大發(fā)送功率限制條件下，最小化子載波數(shù)，仿真結(jié)果表明，所提出的資源分配策略提高了頻譜效率和小區(qū)邊緣用戶吞吐量。參考文獻(xiàn)[28]研究了在每個子載波最多復(fù)用兩個用戶的情況下，多載波NOMA系統(tǒng)的加權(quán)系統(tǒng)吞吐量最大化問題?；趩握{(diào)優(yōu)化和凸逼近的方法，分別提出最優(yōu)方案和低復(fù)雜度的次優(yōu)算法。仿真結(jié)果表明所提次優(yōu)算法性能相對于傳統(tǒng)的多載波正交多址系統(tǒng)提高了系統(tǒng)的吞吐量。參考文獻(xiàn)[29]研究了多載波NOMA系統(tǒng)最大化和速率的資源分配問題，由于是非凸優(yōu)化問題，因此，提出采用匹配理論和注水功率分配的次優(yōu)算法進(jìn)行求解，仿真結(jié)果表明所提算法獲得的系統(tǒng)速率優(yōu)于基于OFDMA的分配方式。參考文獻(xiàn)[30-31]考慮下行NOMA系統(tǒng)，聯(lián)合優(yōu)化信道和功率分配以最大化系統(tǒng)加權(quán)和速率問題。由于該優(yōu)化問題是NP問題，因此提出基于拉格朗日對偶和動態(tài)規(guī)劃的次優(yōu)算法。仿真結(jié)果表明所提算法優(yōu)于OFDMA和帶有分?jǐn)?shù)功率分配的NOMA方案[32]。參考文獻(xiàn)[33]考慮多載波NOMA系統(tǒng)，提出一種兩次迭代的注水算法，并證明了該算法在每個子載波復(fù)用不超過兩個用戶的情況下具有收斂性，仿真結(jié)果表明所提算法性能接近現(xiàn)有的次優(yōu)算法[30]，但具有更低的時間復(fù)雜度。參考文獻(xiàn)[34]在滿足用戶最小速率需求的情況下，研究了多載波NOMA系統(tǒng)總功率最小化問題，并提出了低復(fù)雜度的聯(lián)合子載波和功率分配算法。仿真結(jié)果表明所提算法相比傳統(tǒng)OFDM的頻分復(fù)用和靜態(tài)的非正交資源分配算法降低了系統(tǒng)的能量消耗。參考文獻(xiàn)[35]考慮在用戶最小速率約束條件下，研究多載波NOMA系統(tǒng)和速率的最大化問題。由于該問題是非凸的，因此，本文提出次優(yōu)算法將原問題分解為子載波分配和功率分配問題。先在假設(shè)等功率分配的情況下進(jìn)行子載波分配，然后在給定的子載波分配的情況下進(jìn)行功率分配。參考文獻(xiàn)[36]在發(fā)送端具有信道狀態(tài)統(tǒng)計信息（channel state information at the transmitter，CSIT）的前提下，提出一種次優(yōu)的功率分配和用戶調(diào)度算法來得到多載波NOMA系統(tǒng)的最小發(fā)射總功率。仿真結(jié)果表明，所提算法相比傳統(tǒng)OMA方式降低了系統(tǒng)的總功率。參考文獻(xiàn)[37]考慮基站全雙工多載波NOMA系統(tǒng)的資源分配問題，優(yōu)化系統(tǒng)的加權(quán)和速率，提出利用連續(xù)凸逼近的次優(yōu)算法來平衡算法復(fù)雜度和最優(yōu)性。結(jié)果表明所提算法接近最優(yōu)性能，并且在系統(tǒng)平均吞吐量、平均接入用戶數(shù)、系統(tǒng)公平性上優(yōu)于3種基準(zhǔn)的對比算法（基于全雙工的多載波正交接入、半雙工的多載波NOMA和半雙工的多載波OMA）。參考文獻(xiàn)[38-39]在每個子載波復(fù)用最多兩個用戶的限制條件下，研究多載波NOMA系統(tǒng)基于能效的子信道分配和功率分配算法，提出了一種次優(yōu)的信道分配和功率分配算法以最大化NOMA系統(tǒng)用戶的能效的總和。相比傳統(tǒng)的OFDM方案，所提NOMA方案能實(shí)現(xiàn)更好的和速率與能量效率。參考文獻(xiàn)[40]研究了由多載波—非正交多址支持的虛擬無線網(wǎng)絡(luò)（virtualized wireless network，VWN）的上行鏈路資源分配問題，將優(yōu)化問題分解為獨(dú)立的功率和子載波分配問題，并提出一種基于連續(xù)凸近似和互補(bǔ)幾何規(guī)劃的迭代算法。結(jié)果表明，與OMA相比，所提出的多載波NOMA算法可以顯著提高頻譜和功率效率。參考文獻(xiàn)[41]通過共同考慮信道分配和功率控制，為基于NOMA的上行鏈路網(wǎng)絡(luò)制定了一個和速率最大化問題，將原始問題轉(zhuǎn)化為圖論中的最大加權(quán)獨(dú)立集問題，提出一種有效的低復(fù)雜度資源分配算法。結(jié)果顯示該算法在數(shù)據(jù)速率和支持用戶數(shù)方面相對其他方案的性能更優(yōu)。

圖2 多用戶下行鏈路多載波NOMA方案示例

2.3 協(xié)作NOMA

協(xié)作通信可以使用多個中繼來幫助源節(jié)點(diǎn)與目的節(jié)點(diǎn)通信，以提高無線網(wǎng)絡(luò)的容量和可靠性，也是防止無線信道多徑衰落和提高系統(tǒng)吞吐量性能的最有效方法之一，還具有降低發(fā)射功率和減少能量消耗的特點(diǎn)[42]。又由于受到NOMA優(yōu)勢的吸引，近年來部分研究人員將NOMA的技術(shù)和中繼技術(shù)相結(jié)合，開展了協(xié)作NOMA中繼系統(tǒng)的性能分析[43-49]與資源分配[50-54]研究。

2.3.1 性能分析

參考文獻(xiàn)[43]在協(xié)調(diào)直接和中繼傳輸（coordinated direct and relay transmission，CDRT）中引入NOMA，導(dǎo)出了中斷概率和遍歷和容量的分析表達(dá)式，仿真結(jié)果表明與非協(xié)調(diào)直接和中繼傳輸中的NOMA系統(tǒng)相比，所提方案具有顯著的性能增益。參考文獻(xiàn)[44]研究了在不理想信道狀態(tài)信息的Nakagami-衰落信道下，協(xié)作NOMA下行放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的中斷概率，仿真結(jié)果表明相比傳統(tǒng)OMA系統(tǒng)，性能可以顯著提升。參考文獻(xiàn)[45]研究了NOMA多天線中繼網(wǎng)絡(luò)中用戶的中斷行為，仿真結(jié)果表明當(dāng)中繼位置靠近移動用戶時，OMA可實(shí)現(xiàn)更好的中斷性能，但NOMA可提供更好的頻譜效率和用戶公平性。參考文獻(xiàn)[46]在AF中繼的幫助下研究了協(xié)作動態(tài)NOMA網(wǎng)絡(luò)的中斷性能，導(dǎo)出了中斷概率精確閉合表達(dá)式的近似結(jié)果，仿真結(jié)果表明協(xié)作NOMA比協(xié)作OMA有更高的分集增益和編碼增益，中斷性能也有所提高。參考文獻(xiàn)[47]分析并比較了NOMA協(xié)作和NOMA時分多址兩種方案的中斷性能，結(jié)果表明NOMA協(xié)作方案的中斷性能比NOMA時分多址方案更好。參考文獻(xiàn)[48]研究了具有多個中繼的協(xié)作下行鏈路非正交多址網(wǎng)絡(luò)的中繼選擇方案。提出了兩個最優(yōu)中繼選擇方案，稱為兩階段加權(quán)最大最小值（weighted-max-min，WMM）和最大加權(quán)諧波均值（maxweighted-harmonic-mean，MWHM）方案。分析兩種方案的中斷概率，并確定它們的分集增益。結(jié)果表明，所提出的最優(yōu)兩階段WMM和MWHM方案優(yōu)于現(xiàn)有的次優(yōu)中繼選擇（relay selection，RS）方案。參考文獻(xiàn)[49]研究了中繼選擇對協(xié)作NOMA性能的影響，其中繼以全雙工（full-duplex，F(xiàn)D）或半雙工（half-duplex，HD）模式工作，并采用隨機(jī)幾何對網(wǎng)絡(luò)的中繼位置進(jìn)行建模，推導(dǎo)出FD / HD NOMA兩種RS方案的中斷概率解析表達(dá)式。結(jié)果表明，基于FD的RS方案在低信噪比（SNR）區(qū)域中具有比基于HD的RS方案更好的中斷性能；基于FD/HD的NOMA中繼選擇方案（single-stage RS，SRS）/兩階段中繼選擇方案（two-stage RS，TRS）的中斷行為優(yōu)于隨機(jī)中繼選擇方案（random RS，RRS）和基于OMA的中繼選擇方案。

2.3.2 資源分配

參考文獻(xiàn)[50]分析了協(xié)作NOMA中繼系統(tǒng)的平均速率的漸進(jìn)表達(dá)式，提出NOMA的次優(yōu)功率分配方案，仿真結(jié)果表明此系統(tǒng)能提高頻譜效率。參考文獻(xiàn)[51]研究NOMA協(xié)作中繼系統(tǒng)（cooperative relaying system using non-orthogonal multiple access，CRS-NOMA）的新型檢測方案，目的節(jié)點(diǎn)通過采用最大比合并與串行干擾消除直連信號和轉(zhuǎn)發(fā)信號進(jìn)行聯(lián)合解碼，研究了系統(tǒng)的遍歷和速率和中斷性能，通過求解遍歷和速率對于功率分配因子的導(dǎo)數(shù)，可得到最優(yōu)功率分配因子即所提功率分配方案。所提方案比參考文獻(xiàn)[50]方案在遍歷和速率和中斷性能方面都有明顯的改善。參考文獻(xiàn)[52]研究協(xié)作非正交多址中繼（collaborative noma assisted relaying，CNAR）系統(tǒng)，分析CNAR系統(tǒng)和簡化的CNAR系統(tǒng)中斷行為，分別考慮源—中繼和中繼—目的節(jié)點(diǎn)鏈路的中斷行為來分析兩個系統(tǒng)的中斷概率，提出通過最小化中斷概率來保證數(shù)據(jù)速率的最優(yōu)功率分配方案。結(jié)果證明了所提出的CNAR在可能的傳輸策略中實(shí)現(xiàn)了最佳性能，并且簡化的CNAR獲得了類似的性能并且降低了中繼復(fù)雜性。參考文獻(xiàn)[53]在圖3的系統(tǒng)模型下，研究了具有單向OFDM放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的NOMA系統(tǒng)的資源分配問題，通過優(yōu)化子信道分配和功率分配來最大化平均和速率。將問題轉(zhuǎn)化為多對多雙向匹配問題，提出兩個近似最優(yōu)的源—目的節(jié)點(diǎn)間的子信道匹配算法，即靜態(tài)匹配算法和動態(tài)匹配算法都在有限次數(shù)的迭代之后收斂到成對的穩(wěn)定匹配，再采用注水功率分配算法進(jìn)行功率分配。結(jié)果表明所提算法具有較低復(fù)雜度，能服務(wù)更多用戶且平均和速率也高于傳統(tǒng)OFDMA系統(tǒng)。參考文獻(xiàn)[54]提出一種基于NOMA的新型協(xié)作傳輸方案來重新設(shè)計無線回程雙層異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。設(shè)計NOMA解碼順序以及在宏基站（macro base station，MBS）和小小區(qū)接入點(diǎn)（small cells access point，SCAP）處的下行鏈路發(fā)射波束成形和功率分配，最大化可達(dá)速率和滿意的用戶數(shù)。提出了一種基于連續(xù)凸近似和主要最小化方法的迭代低復(fù)雜度算法來求次優(yōu)解。結(jié)果表明，所提方案更加先進(jìn)和有效，且總可達(dá)速率方面優(yōu)于常規(guī)設(shè)計。

2.4 硬件損傷條件下協(xié)作NOMA的資源分配

在當(dāng)前已有研究中，大多研究和文獻(xiàn)都是在理想的硬件條件假設(shè)下進(jìn)行的分析和優(yōu)化。然而，在實(shí)際的協(xié)作NOMA系統(tǒng)中，硬件并不都是完美的，硬件遭受來自各個方面的影響和損害，源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)以及用戶節(jié)點(diǎn)存在不同程度的硬件損傷，這些硬件損傷包括：把通信設(shè)備自身產(chǎn)生并難以消除的系列有損害通信質(zhì)量的諸多因素，包括I/Q不平衡、非線性功放產(chǎn)生的等效噪聲以及射頻電路噪聲等。一般來說，通過在發(fā)射機(jī)處使用某些校準(zhǔn)技術(shù)或/和在接收機(jī)處的補(bǔ)償算法，通?？梢詼p輕由上述單一類型的硬件損傷導(dǎo)致的性能退化。然而，這些方法不能完全消除硬件損傷，因此總是存在一定量的由于殘留硬件損傷（residual hardware impairment，RHI）而導(dǎo)致的未被計入的失真，這些損失被添加到發(fā)送/接收信號中，導(dǎo)致系統(tǒng)性能的下降。參考文獻(xiàn)[55]研究了量化殘余硬件損傷（RHI）對基于非正交多址（NOMA）的中繼網(wǎng)絡(luò)的影響，推導(dǎo)出中斷概率的精確和漸近表達(dá)式，在Nakagami-衰落信道上給出封閉形式。研究結(jié)果表明，在低SNR或低目標(biāo)速率下，RHI引起的中斷性能損失較小，但在高SNR或目標(biāo)速率下?lián)p失顯著。此外，還提出了系統(tǒng)遍歷和速率（ergodic sum rate，ESR）的漸近表達(dá)式，并與正交多址（OMA）傳輸?shù)膫鹘y(tǒng)硬件損壞中繼系統(tǒng)的ESR作對比，結(jié)果表明，在沒有RHI的情況下，NOMA或OMA系統(tǒng)中的ESR隨著SNR的增加而單調(diào)增加，而在兩個系統(tǒng)的硬件受損情形中引入了不可避免的ESR上限。參考文獻(xiàn)[56]量化聯(lián)合發(fā)射機(jī)/接收機(jī)同相正交相位不平衡（in-phase/quadrature-phase imbalance，IQI）所帶來的硬件損傷對多徑衰落條件下基于NOMA的多載波系統(tǒng)性能的影響，并推導(dǎo)了所考慮的多載波NOMA建立的漸近分集階數(shù)。結(jié)果證明同相正交相位不平衡IQI的影響在NOMA用戶中差異很大，并取決于底層的系統(tǒng)參數(shù)。參考文獻(xiàn)[57]研究了非正交多址（NOMA）雙跳（dual-hop，DH）放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼網(wǎng)絡(luò)的性能，其中考慮Nakagami-衰落信道。綜合考慮源節(jié)點(diǎn)、中繼節(jié)點(diǎn)和目的節(jié)點(diǎn)處的收發(fā)器硬件損傷，導(dǎo)出了中斷概率和近似遍歷和速率的閉式表達(dá)式。另外，為了進(jìn)一步揭示硬件損傷參數(shù)對網(wǎng)絡(luò)性能的影響，對高信噪比（SNR）情況下的中斷概率和遍歷和速率進(jìn)行了漸近分析。

2.5 對比與分析

對以上關(guān)于NOMA資源分配算法相關(guān)工作進(jìn)行總結(jié)見表1。

表1 NOMA資源分配相關(guān)研究工作總結(jié)

3 研究挑戰(zhàn)和未來研究方向

盡管目前國內(nèi)外對于NOMA系統(tǒng)的資源分配問題的研究已經(jīng)取得了一定的研究成果。上述提到的資源分配方法也在一定程度上滿足了NOMA系統(tǒng)某一方面的優(yōu)化目標(biāo)，但是現(xiàn)有研究針對NOMA系統(tǒng)的資源分析手段和優(yōu)化方法仍然具有一定的局限性。由以上歸納分析發(fā)現(xiàn)，大部分研究都是理想信道狀態(tài)信息下，進(jìn)行算法設(shè)計和優(yōu)化，但無線信道狀態(tài)信息通常會受到信道估計誤差、量化誤差等實(shí)際因素的影響，因此需要進(jìn)一步考慮非理想信道狀態(tài)信息下，對于單載波NOMA、多載波NOMA、協(xié)作NOMA的資源分配問題進(jìn)行建模和分析，又由于該問題一般為非凸甚至NP難問題。因此，如何設(shè)計出低復(fù)雜度的在線資源分配算法，接近最優(yōu)性能的次優(yōu)算法也極其重要和具有挑戰(zhàn)。

基于Stackelberg博弈方法采用定價機(jī)制研究NOMA系統(tǒng)的資源分配問題[20-22]仍然處于起步階段，在未來研究中可以進(jìn)一步考慮用戶的服務(wù)質(zhì)量需求，聯(lián)合容許控制和功率分配設(shè)計NOMA系統(tǒng)基于定價的資源算法來最大化基站的收益。

現(xiàn)有研究針對NOMA系統(tǒng)在硬件損傷下的性能分析也剛處于研究起步階段，相關(guān)研究成果主要有參考文獻(xiàn)[55-57]，這些研究主要分析硬件損傷下的NOMA系統(tǒng)的中斷概率和漸進(jìn)和速率等性能指標(biāo)，但并沒有從資源分配角度對系統(tǒng)資源進(jìn)行優(yōu)化。因此，可以對硬件損傷條件下協(xié)作NOMA系統(tǒng)的基于頻效的資源分配研究，充分考慮發(fā)射源端、中繼節(jié)點(diǎn)、用戶接收端的硬件損傷程度，信道的狀態(tài)信息、發(fā)射功率等因素的影響，利用連續(xù)凸逼近、拉格朗日對偶分解等優(yōu)化理論來設(shè)計；也可以對硬件損傷條件下協(xié)作NOMA系統(tǒng)的基于能效的資源分配研究，綜合利用分式規(guī)劃理論、單調(diào)優(yōu)化方法等建立基于硬件損傷條件下的協(xié)作NOMA系統(tǒng)基于能效的低復(fù)雜度資源分配算法；還可以對硬件損傷條件下協(xié)作NOMA基于經(jīng)濟(jì)效益的資源分配研究，采用Stackelberg博弈建模分析協(xié)作NOMA系統(tǒng)中繼節(jié)點(diǎn)在價格激勵機(jī)制下的最優(yōu)定價和功率分配策略，最大化中繼節(jié)點(diǎn)和用戶的收益。

綜上所述，對于單載波NOMA[9-22]、多載波NOMA[26-41]已有的研究成果大多集中在和速率、公平性、功率、能效等方面；對于協(xié)作NOMA[43-54]已有的研究成果大多集中在中斷概率、和速率和公平性等方面；對于硬件損傷條件下協(xié)作NOMA[55-57]的已有研究成果也大多集中在和速率、公平性、中斷性能等方面。因此，針對這幾個方面，研究和設(shè)計基于其他性能指標(biāo)的有效資源分配算法也是極其重要的，可以采用的合理相關(guān)數(shù)學(xué)工具有：分式規(guī)劃、連續(xù)凸逼近、博弈論、壓縮不動點(diǎn)、對偶分解、頑健優(yōu)化、隨機(jī)過程、動態(tài)規(guī)劃等方法。并通過計算機(jī)仿真和實(shí)驗(yàn)去驗(yàn)證評價算法性能。進(jìn)而設(shè)計出低復(fù)雜度、頑健的優(yōu)化算法，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的綠色節(jié)能。

4 結(jié)束語

本文先簡述了NOMA的原理與優(yōu)勢，然后基于單載波NOMA、多載波NOMA、協(xié)作NOMA中繼、硬件損傷條件下協(xié)作NOMA的資源分配進(jìn)行介紹，最后總結(jié)了當(dāng)前現(xiàn)狀，并提出研究挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向。但是現(xiàn)有研究對NOMA資源分配研究考慮的模型大部分過于理想，大都假設(shè)系統(tǒng)具有理想信道狀態(tài)信息，用戶的接收端可以完全消除信道條件較好用戶的干擾。然而，考慮到實(shí)際通信系統(tǒng)信道估計誤差、信道反饋誤差、量化誤差等因素的影響和用戶解碼硬件的限制，有必要在信道估計誤差和不完全干擾消除情況下，對NOMA系統(tǒng)的資源分配問題進(jìn)行建模和分析，進(jìn)一步研究和探索具有頑健性的資源分配算法。

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A survey of resource allocation in non-orthogonal multiple access systems

WANG Zhengqiang, CHENG Qu, FAN Zifu, WAN Xiaoyu

Chongqing University of Posts and Telecommunications, Chongqing 400065, China

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is an important candidate technology of the fifth generation (5G) wireless network, which can meet the low latency, low power consumption, high reliability, high throughput, wide coverage requirements of the next generation mobile communication systems. NOMA utilizes superposition coding at the transmitter and successive interference cancellation at the receiver to allow several users’ data multiplexing in the same resource block. It improves the spectrum efficiency compared with the traditional orthogonal multiple access. The research status of resource allocation of NOMA systems was summarized including single-carrier NOMA resource allocation, multi-carrier NOMA resource allocation, cooperative NOMA relay resource allocation, and cooperative NOMA resource allocation under hardware impairment conditions. Finally, the main problems in the current study were summarized and the research challenges and some future research directions of NOMA resource allocation technology were discussed.

non-orthogonal multiple access, resource allocation, single-carrier, multi-carrier, relay, hardware impairment

TN925

A

10.11959/j.issn.1000?0801.2018236

王正強(qiáng)（1983?），男，博士，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院副教授，主要研究方向?yàn)?G 移動通信理論與關(guān)鍵技術(shù)、綠色通信、無線資源管理與優(yōu)化。

成?。?993?），女，重慶郵電大學(xué)通信與信息工程學(xué)院碩士生，主要研究方向?yàn)镹OMA通信系統(tǒng)能效優(yōu)化。

樊自甫（1977?），男，重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)殡娦沤M織與運(yùn)管管理、下一代網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。

萬曉榆（1963?），男，博士，重慶郵電大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院教授，主要研究方向?yàn)橄乱痪W(wǎng)絡(luò)技術(shù)、通信運(yùn)營管理。

2018?02?03；

2018?07?13

國家自然科學(xué)基金資助項目（No.61701064）；重慶市教委科學(xué)技術(shù)項目（No.KJ1600424）

The National Natural Science Foundation of China (No.61701064), Scientificand Technological Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (No.KJ1600424)