[論文レビュー] A Fair Individual Rate Comparison between MIMO-NOMA and MIMO-OMA

Ming Zeng, Animesh Yadav+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 3

ひとこと要約

本稿は、MIMO-OMAが任意のパワー割り当てと最適な自由度（DoF）分割を使用しても、MIMO-NOMAがすべてのユーザーに対してより高い個別レートを保証するパワー割り当て（PA）戦略を提案する。主な貢献は、理論的に証明されたPA方式により、個別レートの優位性と改善された公平性を確保することであり、現実的なMIMO下行リンク環境（ユーザーのペairリングとビームフォーミングを含む）における解析的導出とシミュレーションによって検証されている。

ABSTRACT

In this paper, we compare the individual rate of MIMO-NOMA and MIMO-OMA when users are paired into clusters. A power allocation (PA) strategy is proposed, which ensures that MIMO-NOMA achieves a higher individual rate for each user than MIMO-OMA with arbitrary PA and optimal degrees of freedom split. In addition, a special case with equal degrees of freedom and arbitrary PA for OMA is considered, for which the individual rate superiority of NOMA still holds. Moreover, it is shown that NOMA can attain better fairness through appropriate PA. Finally, simulations are carried out, which validate the developed analytical results.

研究の動機と目的

• 既存の文献におけるMIMO-NOMAとMIMO-OMAの間の公平な個別レート比較の欠如に対処すること。
• 任意のPAと最適なDoF分割の下で、MIMO-NOMAがMIMO-OMAを上回る個別レートを達成するようにするパワー割り当て戦略を開発すること。
• DoFがユーザー間で均等に割り当てられている場合でも、MIMO-NOMAが個別レートの優位性を維持できることを示すこと。
• 適切なパワー割り当てにより、NOMAがMIMO-OMAよりも優れた公平性を達成できることを示すこと。
• ユーザーのペairリングとビームフォーミングを含む現実的なMIMO下行リンクシステムモデルにおけるシミュレーションを通じて、解析結果を検証すること。

提案手法

• 任意のOMAパワー割り当てと最適なDoF分割の下で、MIMO-NOMAの個別レートがMIMO-OMAを上回ることを保証する、MIMO-NOMAのための新規パワー割り当て戦略を提案する。
• 信号対インターーフェアレンスプラスノイズ比（SINR）制約とビームフォーミング整合条件を用いて、閉形式のPA解を導出する。
• 基地局でゼロフォーキング（ZF）プレコーディングを適用して、クラスタ間干渉を抑制する。
• 同じクラスタに属するユーザー間で受信ビームフォーミングベクトルによる信号整合を実現する。
• 経路損失とレイリー faded 成分を含むブロック fading レンジモデルを用いて、現実的なチャネル表現を実現する。
• M=4アンテナ、ρ=30 dB、および変動するパワー係数を用いたシミュレーションを通じて、解析結果を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OMAが任意のパワー割り当てと最適なDoF分割を使用する場合、MIMO-NOMAはMIMO-OMAを上回る個別レートを達成するか？
• RQ2 DoFがユーザー間で均等に割り当てられ、OMAが任意のパワー割り当てを使用する場合でも、MIMO-NOMAは個別レートの優位性を維持できるか？
• RQ3 MIMO-NOMAにおけるパワー割り当ては、MIMO-OMAと比較して公平性にどのように影響するか？
• RQ4 最適なDoF分割が、NOMAとOMAの間の和レートおよび個別レート比較に与える影響は何か？
• RQ5 提案されたPA戦略は、現実的なMIMO下行リンク環境下で、すべてのユーザー対において個別レートの向上を保証できるか？

主な発見

• 提案されたPA戦略により、OMAが任意のパワー割り当てと最適なDoF分割を使用しても、MIMO-NOMAはすべてのユーザーに対してMIMO-OMAを上回る厳密な個別レートを達成することが保証される。
• 等しいDoFと任意のPAの特別な場合においても、MIMO-NOMAは依然としてMIMO-OMAを上回る個別レートを達成する。これは解析的に証明されている。
• シミュレーションにより、NOMAがすべてのユーザー対において個別レートでOMAを上回ることを確認した。最適なPAが適用された場合、NOMAの$R_1$と$R_2$は、それぞれのOMAの対応する値を上回っている。
• NOMAで式（12b）に従うPAが適用された場合、$R_1$と$R_2$はOMA [15]（等しいパワーとDoFを仮定）よりも高い。これは、NOMAが部分最適なOMA方式に対しても優位性を示していることを示している。
• 和レートの順序は$\text{NOMA}_3 > \text{NOMA}_4 > \text{OMA} > \text{OMA}_{[15]}$であり、最適なDoF分割を用いたOMAが等しいDoFのOMAよりも高い和レートを達成することを確認している。
• 図1は、強いユーザーのパワー係数が低い場合、NOMAがOMAよりも優れた公平性を達成できることを示している。$\alpha_{2'}^2 \in [0, 0.8]$の範囲で$R_1^{\text{NOMA}_1} = R_1^{\text{OMA}} > R_2^{\text{NOMA}_1} > R_2^{\text{OMA}}$となる。