[論文レビュー] Adaptive User Pairing for Downlink NOMA System with Imperfect SIC

Nemalidinne Siva Mouni, Abhinav Kumar+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 9被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）下でのダウンリンクNOMAシステムに適応型ユーザペアリング（A-UP）アルゴリズムを提案し、NOMAがOMAを上回ることを保証するための、送信パワー割り当ておよびチャネル利得の境界を導出する。この手法は、SINRとSICの不完全性レベルに応じて、NOMAペアリングとOMAペアリングの間を動的に選択し、現実的な不完全SIC条件下でも従来手法に比べて高い実現可能和速率（ASR）を達成する。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recognized as a key driving technology for the fifth generation (5G) and beyond 5G cellular networks. For a practical dowlink NOMA system with imperfect successive interference cancellation (SIC), we derive bounds on channel coefficients and power allocation factors between NOMA users to achieve higher rates than an equivalent orthogonal multiple access (OMA) system. We propose an adaptive user pairing (A-UP) algorithm for NOMA systems. Through extensive simulations, we show that NOMA with imperfect SIC is not always superior to OMA. Further, the proposed A-UP algorithm results in better performance than state-of-the-art NOMA pairing algorithms in presence of SIC imperfections.

研究の動機と目的

• 不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）によるNOMAシステムの性能劣化を解消する。
• SICの不完全性が顕著な場合に、理論的利点があるにもかかわらずNOMAがOMAを下回る状況を特定する。
• ユーザのチャネル状態とSICの品質に応じて、NOMAとOMAペアリングの間を知的に選択する適応型ユーザペアリング戦略を開発する。
• 不完全SIC下でもNOMAの速率がOMAの速率を上回ることを保証するための、送信パワー割り当ておよびチャネル利得差の解析的境界を導出する。
• 残存干渉が存在する不完全SIC下でも、強いユーザと弱いユーザの速率のトレードオフを最適化することでスペクトル効率を向上させる。

提案手法

• 弱いユーザのNOMA速率がOMAの速率を超えるように保証するための、強いユーザに割り当てられるパワー割合（$\alpha_s$）の上界を導出する。その式は $\alpha_s^* = \frac{1}{\gamma_w}(\sqrt{1+\gamma_w} - 1)$ で与えられる。
• 強いユーザのNOMA速率がOMAの速率を超えるように保証するための、$\alpha_s$ の下界を導出する。その式は $\alpha_s > \frac{1}{\gamma_s}(\sqrt{1+\gamma_s} - 1)$ で与えられる。
• 強いユーザのNOMA速率がOMAの速率を下回らないように保証するための、SIC不完全要因 $\beta$ の境界を確立する。その式は $\beta < \frac{1}{\gamma_s} \left( \frac{1}{\alpha_s} - 1 \right)$ で与えられる。
• SINR差の最小化に基づいてユーザペアを選択する適応型ユーザペアリング（A-UP）アルゴリズムを提案し、SIC不完全性下でも最適ペアリングを実現する。
• 実際の無線チャネル状態を反映するために、両方のモデル（対数速率（LR）と離散速率（DR））をシミュレーションで用いる。
• SICレベル（$\beta$）とユーザ密度を変化させた条件下で、A-UPアルゴリズムを従来の近端・遠端（NF）および均一チャネル利得差（UCGD）ペアリング手法と比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全SICがNOMAの性能をOMAを下回らせる条件は何か？また、いつOMAがより良い選択となるか？
• RQ2 NOMAの速率がOMAの速率を上回ることを保証するための、パワー割り当て（$\alpha_s$）およびSIC不完全性（$\beta$）の解析的境界は何か？
• RQ3 提案されたA-UPアルゴリズムは、不完全SIC下で最先端のNOMAペアリング手法と比較して、どのように実現可能和速率（ASR）を向上させるか？
• RQ4 SICが不完全な場合、強いユーザと弱いユーザの速率のトレードオフは何か？そして、どのように最適化できるか？
• RQ5 $\alpha_s$ と $\beta$ の変動が、対数速率モデルおよび離散速率モデルにおけるNOMAとOMAの速率に与える影響は何か？

主な発見

• 不完全SICを伴うNOMAが常にOMAを上回るとは限らない。SIC不完全性（$\beta$）が導出された上界を超えると、NOMAの速率はOMAを下回る可能性がある。
• $\gamma_s = 8.64$ dB および $\gamma_w = 3.88$ dB の条件下で $\alpha_s = 0.33$ とすると、$\beta = 0.05$ の場合でもNOMAの速率はOMAを上回るが、$\beta = 0.2$ になるとOMAを下回り、導出された境界を超える。
• 提案されたA-UPアルゴリズムは、従来の近端・遠端（NF）およびUCGDペアリング手法よりも高いASRを達成しており、特にSIC不完全性が高い場合（$\beta = 0.13$）に顕著である。
• $\alpha_s$ の下界は強いユーザのNOMA速率がOMAを上回ることを保証し、上界は弱いユーザのNOMA速率がOMAを上回ることを保証する。両境界はシミュレーションにより検証済み。
• $\beta = 0.02$ の場合、完全SIC下の強いユーザの速率は不完全SIC下よりも高い。これはSIC不完全性による性能劣化を確認する。
• A-UPアルゴリズムは、チャネル状態とSIC品質に応じてペアリングモードを動的に選択することで、強いユーザと弱いユーザの速率のトレードオフを効果的にバランスさせ、不完全SIC下でもNOMAの利点を維持する。