非正交多址系統資源分配研究綜述

王正強，成蕖，樊自甫，萬曉榆

?

非正交多址系統資源分配研究綜述

王正強，成蕖，樊自甫，萬曉榆

（重慶郵電大學，重慶 400065）

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

非正交多址；資源分配；單載波；多載波；中繼；硬件損傷

1 引言

隨著移動互聯網、社交網絡和物聯網的飛速發展，移動智能終端日益普及，爆炸式增長的移動數據業務對無線通信系統的要求越來越高；同時，爆發式增長的數據流量給有限的頻譜資源也帶來了巨大的挑戰[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成為5G產業界和學術界一個迫切需要解決的難題和研究熱點[3]。在最新的5G新型多址技術研究中，基于功率域復用的非正交多址接入（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術是5G網絡的一個重要的候選技術，日益受到產業界的重視，不僅可滿足5G在頻譜效率和連接數等方面的需求，還可以滿足低時延、高可靠性、大規模連接、提高公平性和高吞吐量的異構需求[4-6]。與傳統的正交多址接入（orthogonal multiple access，OMA）方案不同，NOMA可以利用功率域、時域、頻域、碼域來實現多路訪問，在發送機端采用非正交發送，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除（successive interference cancellation，SIC）技術按照一定的順序進行多用戶檢測、正確解調以及干擾消除，以便獲得自己的信息[7]。近年來，在工業界和學術界已經研究了許多NOMA技術，例如交織分多址接入（interleave division multiple access，IDMA）、比特分割多路復用（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技術相對于傳統的OMA技術具有如下優點：更高的頻譜效率、更高的小區邊緣吞吐量、更低的傳輸等待時間、增強的用戶公平性和更多的用戶連接數[2]等。基于NOMA技術的以上優點，尤其是滿足未來寬帶無線通信技術的高頻譜效率和大連接需求，已成為當前研究的一項關鍵技術和熱點。用戶功率域的非正交性使得資源分配算法在NOMA系統中變得尤為重要，只有通過有效的資源分配算法才能保證NOMA系統接收端的用戶數據被有效解碼，實現更大的用戶連接數、更高的頻譜效率和能量效率?？紤]NOMA系統采用的載波數目和是否采用協作通信技術，當前研究中的NOMA系統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]、基于協作NOMA[42-54]和硬件損傷條件下協作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NOMA原理被應用于單個正交資源塊即單載波時，實現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的系統模型下進行研究的。參考文獻[9]考慮只有兩個用戶的下行NOMA系統，在基站總功率和用戶最小速率需求的約束條件下，研究了系統的和速率最大化問題。基于優化問題的KKT（Karush-Kuhn-Tucker）條件，得出帶有閉式解的最優功率分配方案。參考文獻[10]在固定功率分配下，研究單載波NOMA系統的用戶配對對于系統性能的影響，證明了當配對用戶的信道增益差異越大時，采用固定功率分配的NOMA系統的和速率比OMA方式的和速率越高。參考文獻[11]考慮MIMO-NOMA分層傳輸系統中的最佳功率分配，在復用兩個用戶情況下提出一種分層傳輸的MIMO-NOMA總速率最大化算法。參考文獻[12]研究MIMO-NOMA系統的遍歷容量最大化問題。首先得出最優的信道輸入協方差矩陣，然后提出最優功率分配方案和低復雜度的次優功率分配方案。因為無法獲得功率分配的閉式表達式，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，最大化系統的遍歷容量。而后，為了降低復雜度，由于優化問題的解位于可行區域的邊界上，還提出了近似最優功率分配算法。結果表明，提出的NOMA方案明顯優于傳統正交多址方案。參考文獻[13]基于用戶分簇研究了MIMO-NOMA系統的公平性，研究了動態用戶分配和功率優化問題。由于將用戶分配到不同簇是一個NP問題，因此，本文提出了次優算法。與窮舉搜索方法相比，所提算法在吞吐量和復雜性之間實現了很好的折中。參考文獻[14]基于比例公平調度準則，研究了兩個用戶下行NOMA系統，提出了最大系統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[15]研究基于NOMA的無線能量傳輸網絡中的資源分配問題，給出了聯合優化基站發射功率、能量采集和信息傳輸時間的算法以最大化系統速率。仿真結果表明與固定發射功率的NOMA方案相比，所提方案可以實現更高的速率與系統公平性。參考文獻[16]在總發射功率和用戶最小速率約束下，研究衰落MIMO-NOMA系統的能效優化問題，提出了近似最優功率分配方案，并獲得了次優閉式解。仿真結果表明所提NOMA方案在頻譜效率和能量效率方面優于傳統的OMA方案。參考文獻[17]在多用戶下行系統中從能效角度研究了基于認知無線電技術啟發的NOMA系統。在每個主用戶受服務質量約束的條件下，最大化系統的能效。仿真結果表明NOMA比傳統的OMA能效更高。參考文獻[18]基于單輸入單輸出（single input single output，SISO）NOMA下行系統，在用戶最小速率需求約束下，提出一種內外兩層迭代算法來最大化系統能效。其中內層算法在固定系統能效的情況下對用戶進行功率分配，外層算法采用二分法搜索能效。仿真結果表明NOMA系統獲得的能效優于傳統OMA方案。參考文獻[19]推導了理想信道下單載波NOMA系統中基于比例公平調度的最優功率分配的閉式解，并聯合功率分配和用戶集選擇設計了一種低復雜度算法。結果表明，所提出方案所獲得的吞吐量接近上限，且相比傳統OMA、分式發射功率分配（fractional transmit power allocation，FTPA）等方案性能最優。參考文獻[20]采用Stackelberg博弈研究了NOMA系統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化問題轉化為3個優化子問題，進一步利用凸優化和交替優化來分配用戶功率，仿真結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[21]針對NOMA系統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[20]?？紤]用戶之間的速率公平比例約束條件，參考文獻[22]采用Stackelberg博弈研究了NOMA系統基于定價機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關系，將基站的功率分配問題轉化為速率優化問題；進一步利用速率優化問題的單調性，提出了在速率公平比例約束條件下NOMA系統基于定價的最優功率分配算法。

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[23]已在過去的寬帶無線通信中被大量采用。在傳統的多載波系統中，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到容量區域的上界，特別是當系統保證用戶公平性時，會將部分子載波專門分配給信道質量較差的用戶使用，從而會造成頻譜資源的浪費[24-25]。因此，聯合多載波技術和NOMA技術的多載波NOMA接入方式可以進一步提高頻譜利用效率，這已經成了未來寬帶無線通信接入技術的一個演進方向。對于多載波的資源分配，參考文獻[26]在圖2的系統模型下，通過聯合子載波分配和功率分配優化多載波NOMA系統的加權和速率。因為優化問題是NP問題，所以將子信道分配問題轉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，將功率分配問題轉化為幾何規劃問題，最后采用聯合子信道和功率分配算法（joint subchannel and power allocation algorithm，JSPA）。仿真結果表明所提算法在用戶和速率和公平性方面都優于傳統的OFDMA（orthogonal frequency division multiple access）方案。參考文獻[27]研究兩個用戶多載波NOMA系統，在用戶傳輸速率和最大發送功率限制條件下，最小化子載波數，仿真結果表明，所提出的資源分配策略提高了頻譜效率和小區邊緣用戶吞吐量。參考文獻[28]研究了在每個子載波最多復用兩個用戶的情況下，多載波NOMA系統的加權系統吞吐量最大化問題。基于單調優化和凸逼近的方法，分別提出最優方案和低復雜度的次優算法。仿真結果表明所提次優算法性能相對于傳統的多載波正交多址系統提高了系統的吞吐量。參考文獻[29]研究了多載波NOMA系統最大化和速率的資源分配問題，由于是非凸優化問題，因此，提出采用匹配理論和注水功率分配的次優算法進行求解，仿真結果表明所提算法獲得的系統速率優于基于OFDMA的分配方式。參考文獻[30-31]考慮下行NOMA系統，聯合優化信道和功率分配以最大化系統加權和速率問題。由于該優化問題是NP問題，因此提出基于拉格朗日對偶和動態規劃的次優算法。仿真結果表明所提算法優于OFDMA和帶有分數功率分配的NOMA方案[32]。參考文獻[33]考慮多載波NOMA系統，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用不超過兩個用戶的情況下具有收斂性，仿真結果表明所提算法性能接近現有的次優算法[30]，但具有更低的時間復雜度。參考文獻[34]在滿足用戶最小速率需求的情況下，研究了多載波NOMA系統總功率最小化問題，并提出了低復雜度的聯合子載波和功率分配算法。仿真結果表明所提算法相比傳統OFDM的頻分復用和靜態的非正交資源分配算法降低了系統的能量消耗。參考文獻[35]考慮在用戶最小速率約束條件下，研究多載波NOMA系統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。先在假設等功率分配的情況下進行子載波分配，然后在給定的子載波分配的情況下進行功率分配。參考文獻[36]在發送端具有信道狀態統計信息（channel state information at the transmitter，CSIT）的前提下，提出一種次優的功率分配和用戶調度算法來得到多載波NOMA系統的最小發射總功率。仿真結果表明，所提算法相比傳統OMA方式降低了系統的總功率。參考文獻[37]考慮基站全雙工多載波NOMA系統的資源分配問題，優化系統的加權和速率，提出利用連續凸逼近的次優算法來平衡算法復雜度和最優性。結果表明所提算法接近最優性能，并且在系統平均吞吐量、平均接入用戶數、系統公平性上優于3種基準的對比算法（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[38-39]在每個子載波復用最多兩個用戶的限制條件下，研究多載波NOMA系統基于能效的子信道分配和功率分配算法，提出了一種次優的信道分配和功率分配算法以最大化NOMA系統用戶的能效的總和。相比傳統的OFDM方案，所提NOMA方案能實現更好的和速率與能量效率。參考文獻[40]研究了由多載波—非正交多址支持的虛擬無線網絡（virtualized wireless network，VWN）的上行鏈路資源分配問題，將優化問題分解為獨立的功率和子載波分配問題，并提出一種基于連續凸近似和互補幾何規劃的迭代算法。結果表明，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[41]通過共同考慮信道分配和功率控制，為基于NOMA的上行鏈路網絡制定了一個和速率最大化問題，將原始問題轉化為圖論中的最大加權獨立集問題，提出一種有效的低復雜度資源分配算法。結果顯示該算法在數據速率和支持用戶數方面相對其他方案的性能更優。

圖2 多用戶下行鏈路多載波NOMA方案示例

2.3 協作NOMA

協作通信可以使用多個中繼來幫助源節點與目的節點通信，以提高無線網絡的容量和可靠性，也是防止無線信道多徑衰落和提高系統吞吐量性能的最有效方法之一，還具有降低發射功率和減少能量消耗的特點[42]。又由于受到NOMA優勢的吸引，近年來部分研究人員將NOMA的技術和中繼技術相結合，開展了協作NOMA中繼系統的性能分析[43-49]與資源分配[50-54]研究。

2.3.1 性能分析

參考文獻[43]在協調直接和中繼傳輸（coordinated direct and relay transmission，CDRT）中引入NOMA，導出了中斷概率和遍歷和容量的分析表達式，仿真結果表明與非協調直接和中繼傳輸中的NOMA系統相比，所提方案具有顯著的性能增益。參考文獻[44]研究了在不理想信道狀態信息的Nakagami-衰落信道下，協作NOMA下行放大轉發中繼網絡的中斷概率，仿真結果表明相比傳統OMA系統，性能可以顯著提升。參考文獻[45]研究了NOMA多天線中繼網絡中用戶的中斷行為，仿真結果表明當中繼位置靠近移動用戶時，OMA可實現更好的中斷性能，但NOMA可提供更好的頻譜效率和用戶公平性。參考文獻[46]在AF中繼的幫助下研究了協作動態NOMA網絡的中斷性能，導出了中斷概率精確閉合表達式的近似結果，仿真結果表明協作NOMA比協作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[47]分析并比較了NOMA協作和NOMA時分多址兩種方案的中斷性能，結果表明NOMA協作方案的中斷性能比NOMA時分多址方案更好。參考文獻[48]研究了具有多個中繼的協作下行鏈路非正交多址網絡的中繼選擇方案。提出了兩個最優中繼選擇方案，稱為兩階段加權最大最小值（weighted-max-min，WMM）和最大加權諧波均值（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。結果表明，所提出的最優兩階段WMM和MWHM方案優于現有的次優中繼選擇（relay selection，RS）方案。參考文獻[49]研究了中繼選擇對協作NOMA性能的影響，其中繼以全雙工（full-duplex，FD）或半雙工（half-duplex，HD）模式工作，并采用隨機幾何對網絡的中繼位置進行建模，推導出FD / HD NOMA兩種RS方案的中斷概率解析表達式。結果表明，基于FD的RS方案在低信噪比（SNR）區域中具有比基于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）的中斷行為優于隨機中繼選擇方案（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[50]分析了協作NOMA中繼系統的平均速率的漸進表達式，提出NOMA的次優功率分配方案，仿真結果表明此系統能提高頻譜效率。參考文獻[51]研究NOMA協作中繼系統（cooperative relaying system using non-orthogonal multiple access，CRS-NOMA）的新型檢測方案，目的節點通過采用最大比合并與串行干擾消除直連信號和轉發信號進行聯合解碼，研究了系統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數，可得到最優功率分配因子即所提功率分配方案。所提方案比參考文獻[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[52]研究協作非正交多址中繼（collaborative noma assisted relaying，CNAR）系統，分析CNAR系統和簡化的CNAR系統中斷行為，分別考慮源—中繼和中繼—目的節點鏈路的中斷行為來分析兩個系統的中斷概率，提出通過最小化中斷概率來保證數據速率的最優功率分配方案。結果證明了所提出的CNAR在可能的傳輸策略中實現了最佳性能，并且簡化的CNAR獲得了類似的性能并且降低了中繼復雜性。參考文獻[53]在圖3的系統模型下，研究了具有單向OFDM放大轉發中繼的NOMA系統的資源分配問題，通過優化子信道分配和功率分配來最大化平均和速率。將問題轉化為多對多雙向匹配問題，提出兩個近似最優的源—目的節點間的子信道匹配算法，即靜態匹配算法和動態匹配算法都在有限次數的迭代之后收斂到成對的穩定匹配，再采用注水功率分配算法進行功率分配。結果表明所提算法具有較低復雜度，能服務更多用戶且平均和速率也高于傳統OFDMA系統。參考文獻[54]提出一種基于NOMA的新型協作傳輸方案來重新設計無線回程雙層異構網絡架構。設計NOMA解碼順序以及在宏基站（macro base station，MBS）和小小區接入點（small cells access point，SCAP）處的下行鏈路發射波束成形和功率分配，最大化可達速率和滿意的用戶數。提出了一種基于連續凸近似和主要最小化方法的迭代低復雜度算法來求次優解。結果表明，所提方案更加先進和有效，且總可達速率方面優于常規設計。

2.4 硬件損傷條件下協作NOMA的資源分配

在當前已有研究中，大多研究和文獻都是在理想的硬件條件假設下進行的分析和優化。然而，在實際的協作NOMA系統中，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，源節點、中繼節點以及用戶節點存在不同程度的硬件損傷，這些硬件損傷包括：把通信設備自身產生并難以消除的系列有損害通信質量的諸多因素，包括I/Q不平衡、非線性功放產生的等效噪聲以及射頻電路噪聲等。一般來說，通過在發射機處使用某些校準技術或/和在接收機處的補償算法，通常可以減輕由上述單一類型的硬件損傷導致的性能退化。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）而導致的未被計入的失真，這些損失被添加到發送/接收信號中，導致系統性能的下降。參考文獻[55]研究了量化殘余硬件損傷（RHI）對基于非正交多址（NOMA）的中繼網絡的影響，推導出中斷概率的精確和漸近表達式，在Nakagami-衰落信道上給出封閉形式。研究結果表明，在低SNR或低目標速率下，RHI引起的中斷性能損失較小，但在高SNR或目標速率下損失顯著。此外，還提出了系統遍歷和速率（ergodic sum rate，ESR）的漸近表達式，并與正交多址（OMA）傳輸的傳統硬件損壞中繼系統的ESR作對比，結果表明，在沒有RHI的情況下，NOMA或OMA系統中的ESR隨著SNR的增加而單調增加，而在兩個系統的硬件受損情形中引入了不可避免的ESR上限。參考文獻[56]量化聯合發射機/接收機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的多載波系統性能的影響，并推導了所考慮的多載波NOMA建立的漸近分集階數。結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參數。參考文獻[57]研究了非正交多址（NOMA）雙跳（dual-hop，DH）放大轉發中繼網絡的性能，其中考慮Nakagami-衰落信道。綜合考慮源節點、中繼節點和目的節點處的收發器硬件損傷，導出了中斷概率和近似遍歷和速率的閉式表達式。另外，為了進一步揭示硬件損傷參數對網絡性能的影響，對高信噪比（SNR）情況下的中斷概率和遍歷和速率進行了漸近分析。

2.5 對比與分析

對以上關于NOMA資源分配算法相關工作進行總結見表1。

表1 NOMA資源分配相關研究工作總結

3 研究挑戰和未來研究方向

盡管目前國內外對于NOMA系統的資源分配問題的研究已經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系統某一方面的優化目標，但是現有研究針對NOMA系統的資源分析手段和優化方法仍然具有一定的局限性。由以上歸納分析發現，大部分研究都是理想信道狀態信息下，進行算法設計和優化，但無線信道狀態信息通常會受到信道估計誤差、量化誤差等實際因素的影響，因此需要進一步考慮非理想信道狀態信息下，對于單載波NOMA、多載波NOMA、協作NOMA的資源分配問題進行建模和分析，又由于該問題一般為非凸甚至NP難問題。因此，如何設計出低復雜度的在線資源分配算法，接近最優性能的次優算法也極其重要和具有挑戰。

基于Stackelberg博弈方法采用定價機制研究NOMA系統的資源分配問題[20-22]仍然處于起步階段，在未來研究中可以進一步考慮用戶的服務質量需求，聯合容許控制和功率分配設計NOMA系統基于定價的資源算法來最大化基站的收益。

現有研究針對NOMA系統在硬件損傷下的性能分析也剛處于研究起步階段，相關研究成果主要有參考文獻[55-57]，這些研究主要分析硬件損傷下的NOMA系統的中斷概率和漸進和速率等性能指標，但并沒有從資源分配角度對系統資源進行優化。因此，可以對硬件損傷條件下協作NOMA系統的基于頻效的資源分配研究，充分考慮發射源端、中繼節點、用戶接收端的硬件損傷程度，信道的狀態信息、發射功率等因素的影響，利用連續凸逼近、拉格朗日對偶分解等優化理論來設計；也可以對硬件損傷條件下協作NOMA系統的基于能效的資源分配研究，綜合利用分式規劃理論、單調優化方法等建立基于硬件損傷條件下的協作NOMA系統基于能效的低復雜度資源分配算法；還可以對硬件損傷條件下協作NOMA基于經濟效益的資源分配研究，采用Stackelberg博弈建模分析協作NOMA系統中繼節點在價格激勵機制下的最優定價和功率分配策略，最大化中繼節點和用戶的收益。

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，研究和設計基于其他性能指標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數學工具有：分式規劃、連續凸逼近、博弈論、壓縮不動點、對偶分解、頑健優化、隨機過程、動態規劃等方法。并通過計算機仿真和實驗去驗證評價算法性能。進而設計出低復雜度、頑健的優化算法，實現系統的綠色節能。

4 結束語

本文先簡述了NOMA的原理與優勢，然后基于單載波NOMA、多載波NOMA、協作NOMA中繼、硬件損傷條件下協作NOMA的資源分配進行介紹，最后總結了當前現狀，并提出研究挑戰和未來發展方向。但是現有研究對NOMA資源分配研究考慮的模型大部分過于理想，大都假設系統具有理想信道狀態信息，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，考慮到實際通信系統信道估計誤差、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系統的資源分配問題進行建模和分析，進一步研究和探索具有頑健性的資源分配算法。

[1] LI Q C, NIU H N，PAPATHANASSIOU A T, et al. 5G network capacity: key elements and technologies[J]. IEEE Vehicular Technology Magazine, 2014, 9(1): 71-78.

[2] DAI L L, WANG B C, YUAN Y F, et al. Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends[J]. IEEE Communications Magazine, 2015, 53(9): 74-81.

[3] TAO Y Z, LIU L, LIU S, et al. A survey: several technologies of non-orthogonal transmission for 5G[J]. China Communications, 2015, 12(10): 1-15.

[4] 畢奇,梁林,楊姍,等. 面向5G的非正交多址接入技術[J]. 電信科學,2015, 31(5): 20-27.

BI Q, LIANG L, YANG S, et al. Non-orthogonal multiple access technology for 5G systems[J]. Telecommunications Science, 2015, 31(5): 20-27.

[5] DING Z G, LIU Y W, CHOI J, et al. Application of non-orthogonal multiple access in LTE and 5G networks[J]. IEEE Communications Magazine, 2017, 55(2): 185-191.

[6] WEI Z Q, YUAN J H, NG D W K, et al. A survey of downlink non-orthogonal multiple access 5G wireless communication networks[J]. ZTE Communication, 2016, 14(4): 17-25.

[7] DING Z G, PENG M G, POOR H V. Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(8): 1462-1465.

[8] CHEN S, REN B, GAO Q, et al. Pattern division multiple access—a novel non-orthogonal multiple access for fifth-generation radio networks[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(4): 3185-3196.

[9] WANG C L, CHEN J Y, CHEN Y J. Power allocation for a downlink non-orthogonal multiple access system[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 5(5): 532-535.

[10] DING Z G, FAN P Z, POOR H V. Impact of user pairing on 5G non-orthogonal multiple-access downlink transmissions[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2016, 65(8): 6010-6023.

[11] CHOI J. On the power allocation for MIMO-NOMA systems with layered transmissions[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(5): 3226-3237.

[12] SUN Q, HAN S, I C L, et al. On the ergodic capacity of MIMO NOMA systems[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2015, 4(4): 405-408.

[13] LIU Y, ELKASHLAN M, DING Z G, et al. Fairness of user clustering in MIMO non-orthogonal multiple access systems[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(7): 1465-1468.

[14] CHOI J. Power allocation for max-sum rate and max-min rate proportional fairness in NOMA[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(10): 2055-2058.

[15] CHINGOSKA H, HADZI-VELKOV Z, NIKOLOSKA I, et al. Resource allocation in wireless powered communication networks with non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 5(6): 684-687.

[16] SUN Q, HAN S, I C L, et al. Energy efficiency optimization for fading MIMO non-orthogonal multiple access systems[C]// IEEE International Conference on Communications (ICC), June 8-12, 2015, London, UK. Piscataway: IEEE Press, 2015: 2668-2673.

[17] ZHANG Y, YANG Q, ZHENG T X , et al. Energy efficiency optimization in cognitive radio inspired non-orthogonal multiple access[C]//IEEE 27th Annual International Symposium on Personal, Indoor and Mobile Radio Communications (PIMRC), Sept 4-7, 2016, Valencia, Spain. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-6.

[18] ZHANG Y, WANG H M, ZHENG T X, et al. Energy-efficient transmission design in non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2017, 66(3): 2852-2857.

[19] LIU F, PETROVA M. Proportional fair scheduling for downlink single-carrier NOMA systems[C]// 2017 IEEE Global Communications Conference(GLOBECOM 2017), Dec 4-8, 2017, Singapore. Piscataway: IEEE Press, 2017.

[20] LI C, ZHANG Q, LI Q, et al. Price-based power allocation for non-orthogonal multiple access systems[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2016, 5(6): 664-667.

[21] WANG Z Q, WEN C C, FAN Z F, et al. A novel price-based power allocation algorithm in non-orthogonal multiple access networks[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2017(99): 1.

[22] FAN Z F, WEN C C, WANG Z Q, et al. Price-based power allocation with rate proportional fairness constraint in downlink non-orthogonal multiple access systems[J]. IEICE Transactions on Fundamentals of Electronics, Communications and Computer Sciences, 2017, 100(11): 2543-2546.

[23] AFOLABI R O, DADLANI, KIM K. Multicast scheduling and resource allocation algorithms for OFDMA-based systems: a survey[J]. IEEE Communications Surveys & Tutorials, 2013, 15(1): 240-254.

[24] NG D W K, LO E S, SCHOBER R. Dynamic resource allocation in MIMO-OFDMA systems with full-duplex and hybrid relaying[J]. IEEE Transactions on Communications, 2012, 60(5): 1291-1304.

[25] VENTURINO L, ZAPPONE A, RISI C, et al. Energy-efficient scheduling and power allocation in downlink OFDMA networks with base station coordination[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14 (1): 1-14.

[26] DI B Y, SONG L Y, LI Y H. Sub-channel assignment, power allocation, and user scheduling for non-orthogonal multiple access networks[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016, 15(11): 7686-7698.

[27] HOJEIJ M R, FARAH J, NOUR C, et al. Resource allocation in downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access[C]// IEEE Vehicular Technology Conference (VTC Spring), May 11-14, 2015, Glasgow, UK. Piscataway: IEEE Press, 2015: 1-6.

[28] SUN Y, NG D W K, DING Z, et al. Optimal joint power and subcarrier allocation for MC-NOMA systems[C]// IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Dec 4-8, 2016, Washington DC, USA. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-6.

[29] DI BY, BAYAT S, SONG L Y, et al. Radio resource allocation for downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) networks using matching theory[C]//IEEE Global Communications Conference, Dec 6-10, 2015, San Diego, California, USA. Piscataway: IEEE Press, 2015: 1-6.

[30] LEI L, YUAN D, HO C K, et al. Joint optimization of power and channel allocation with non-orthogonal multiple access for 5G cellular system[C]//IEEE Global Communications Conference,Dec 6-10, 2015, San Diego, California, USA. Piscataway: IEEE Press, 2015: 1-6.

[31] LEI L, YUAN D, HO C K, et al. Power and channel allocation for non-orthogonal multiple access in 5G systems: tractability and computation[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2016,15(12): 8580-8594.

[32] SAITO Y, BENJEBBOUR A, KISHIYAMA Y, et al. System-level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) [C]//IEEE Annual International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), Sept 8-11, 2013, London, UK. Piscataway: IEEE Press, 2013: 611-615.

[33] FU Y, SALALüN L, SUNG C W, et al. Double iterative waterfilling for sum rate maximization in multicarrier NOMA systems[C]//IEEE International Conference on Communications (ICC), May 21-25, 2017, Paris, France. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-6.

[34] LI X, LI C, JIN Y. Dynamic resource allocation for transmit power minimization in OFDM-based NOMA systems[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(12): 2558-2561.

[35] CAI W, CHEN C, BAI L, et al. Subcarrier and power allocation scheme for downlink OFDM-NOMA systems[J]. IET Signal Processing, 2017,11(1): 51-58.

[36] WEI Z, NG D W K, YUAN J. Power-efficient resource allocation for MC-NOMA with statistical channel state information[C]//IEEE Global Communications Conference (GLOBECOM), Dec 4-8, 2016, Washington DC, USA. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-7.

[37] SUN Y, NG D W K, DING Z, et al. Optimal joint power and subcarrier allocation for full-duplex multicarrier non-orthogonal multiple access systems[J]. IEEE Transactions on Communications, 2017, 65(3): 1077-1091.

[38] FANG F, ZHANG H, CHENG J, et al. Energy-efficient resource allocation for downlink non-orthogonal multiple access network[J]. IEEE Transactions on Communications, 2016, 64(9): 3722-3732.

[39] FANG F, ZHANG H, CHENG J, et al. Energy efficiency of resource scheduling for non-orthogonal multiple access (NOMA) wireless network[C]//IEEE International Conference on Communications (ICC), May 22-27, 2016, Kuala Lumpur, Malaysia. Piscataway: IEEE Press, 2016: 1-5.

[40] TWEED D, PARSAEEFARD S, DERAKHSHANI M, et al. Dynamic resource allocation for MC-NOMA VWNs with imperfect SIC[C]// IEEE International Symposium on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications, Oct 8-13, 2017, Montreal, Canada. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-5.

[41] ZHAI D, DU J. Spectrum efficient resource management for multi-carrier based NOMA networks: a graph-based method[J]. IEEE Wireless Communications Letters, 2017, 7(3): 388-391.

[42] KIM S H, CHAITANYA T V K, LE N T, et al. Rate maximization based power allocation and relay selection with IRI consideration for two-path AF relaying[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2015, 14(11): 6012-6027.

[43] KIM J B, LEE I H. Non-orthogonal multiple access in coordinated direct and relay transmission[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(11): 2037-2040.

[44] MEN J, GE J, ZHANG C. Performance analysis for downlink relaying aided non-orthogonal multiple access networks with imperfect CSI over Nakagami-fading[J]. IEEE Access, 2017(5): 998-1004.

[45] MEN J, GE J. Non-orthogonal multiple access for multiple antenna relaying networks[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(10): 1686-1689.

[46] LIANG X, WU Y, NG D W K, et al. Outage performance for cooperative NOMA transmission with an AF relay[J]. IEEE Communications Letters, 2017, 21(11): 2428-2431.

[47] SUN H, WANG Q, HU R Q, et al. Outage probability study in a NOMA relay system[C]//IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC), March 19-22, 2017, San Francisco, USA. Piscataway: IEEE Press, 2017: 1-6.

[48] XU P, YANG Z, DING Z, et al. Optimal relay selection schemes for cooperative NOMA[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology, 2018, 67(8): 7851-7855.

[49] YUE X, LIU Y, KANG S, et al. Spatially random relay selection for full/half-duplex cooperative NOMA networks[J]. IEEE Transactions on Communications, 2018(99): 1.

[50] KIM J B, LEE I H. Capacity analysis of cooperative relaying systems using non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Communications Letters, 2015, 19(11): 1949-1952.

[51] XU M, JI F, WEN M, et al. Novel receiver design for the cooperative relaying system with non-orthogonal multiple access[J]. IEEE Communications Letters, 2016, 20(8): 1679-1682.

[52] LIU X,WANG X, LIU Y. Power allocation and performance analysis of the collaborative NOMA assisted relaying systems in 5G[J]. China Communications, 2017, 14(1): 50-60.

[53] ZHANG S, DI B, SONG L, et al. Sub-channel and power allocation for non-orthogonal multiple access relay networks with amplify-and-forward protocol[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2017, 16(4): 2249-2261.

[54] NGUYEN T M, AJIB W, ASSI C. A novel cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) in wireless backhaul two-tier HetNets[J]. IEEE Transactions on Wireless Communications, 2018, 17(7): 4873-4887.

[55] DING F, WANG H, ZHANG S, et al. Impact of residual hardware impairments on non-orthogonal multiple access based amplify-and-forward relaying networks[J]. IEEE Access, 2018(99): 1.

[56] SELIM B, MUHAIDAT S, SOFOTASIOS P C, et al. Performance analysis of non-orthogonal multiple access under I/Q imbalance[J]. IEEE Access, 2018(6): 18453-18468.

[57] DENG C, ZHAO X, ZHANG D, et al. Performance analysis of NOMA-based relaying networks with transceiver hardware impairments[J]. Ksii Transactions on Internet & Information Systems, 2017(12): 134.

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（1983?），男，博士，重慶郵電大學通信與信息工程學院副教授，主要研究方向為5G 移動通信理論與關鍵技術、綠色通信、無線資源管理與優化。

成?。?993?），女，重慶郵電大學通信與信息工程學院碩士生，主要研究方向為NOMA通信系統能效優化。

樊自甫（1977?），男，重慶郵電大學經濟管理學院教授，主要研究方向為電信組織與運管管理、下一代網絡技術。

萬曉榆（1963?），男，博士，重慶郵電大學經濟管理學院教授，主要研究方向為下一網絡技術、通信運營管理。

2018?02?03；

2018?07?13

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

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