[論文レビュー] Backscatter Cooperation in NOMA Communications Systems

Wei-Yu Chen, Haiyang Ding+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、NOMA下行システムにおけるバックスキャター協調（BC-NOMA）方式を提案する。この方式では、チャネル状態が良好なユーザーが受信信号の一部を分離・バックスキャターして、チャネル状態が不良なユーザーを支援する。これにより、専用の中継時間スロットの必要がなくなり、スペクトル効率を損なわずに、非協調方式、従来の中継方式、インクリメンタル中継NOMAよりも優れた outage 性能、より高い期待レート、およびより優れた分散多重度トレードオフを達成する。

ABSTRACT

In this paper, a backscatter cooperation (BC) scheme is proposed for non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink transmission. The key idea is to enable one user to split and then backscatter part of its received signals to improve the reception at another user. To evaluate the performance of the proposed BC-NOMA scheme, three benchmark schemes are introduced. They are the non-cooperation (NC)-NOMA scheme, the conventional relaying (CR)-NOMA scheme, and the incremental relaying (IR)-NOMA scheme. For all these schemes, the analytical expressions of the minimum total power to avoid information outage are derived, based on which their respective outage performance, expected rates, and diversity-multiplexing trade-off (DMT) are investigated. Analytical results show that the proposed BC-NOMA scheme strictly outperforms the NC-NOMA scheme in terms of all the three metrics. Furthermore, theoretical analyses are validated via Monte-Carlo simulations. It is shown that unlike the CR-NOMA scheme and the IR-NOMA scheme, the proposed BC-NOMA scheme can enhance the transmission reliability without impairing the transmission rate, which makes backscattering an appealing solution to cooperative NOMA downlinks.

研究の動機と目的

• 従来の中継方式が中継に追加の時間スロットを要するためスペクトル効率が低下するという非効率性を是正すること。
• NOMA下行システムにおける低複雑性・スペクトル効率の高い協調メカニズムとして、バックスキャター通信を検討すること。
• BC-NOMA方式の性能を、outage確率、期待レート、分散多重度トレードオフ（DMT）の観点から、ベンチマーク方式と比較して評価すること。
• 理論的解析とモンテカルロシミュレーションを用いて、BC-NOMAの性能向上を導出および検証すること。

提案手法

• チャネル状態が良好なユーザーが受信信号を分離し、その一部をバックスキャターしてチャネル状態が不良なユーザーを支援するバックスキャター協調（BC-NOMA）方式を導入する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）を用いて、BC-NOMA、NC-NOMA、CR-NOMA、IR-NOMA方式における情報アウトージュを回避するための最小総電力の解析的表現を導出する。
• 受信側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、チャネルゲインを指数分布に従う確率変数としてモデル化することで、outageおよび分散多重度トレードオフ（DMT）性能を導出する。
• 高SNRにおける漸近解析を適用し、BC-NOMAの分散次数およびDMTを導出し、$2 - 2r_A - 2r_B$ のスケーリングに従うことを示す。
• モンテカルロシミュレーションを用いて理論的結果を検証し、BC-NOMAがすべての性能指標において優れた性能を発揮することを確認する。
• 非協調（NC-NOMA）、従来の中継（CR-NOMA）、インクリメンタル中継（IR-NOMA）の3つのベンチマーク方式とBC-NOMAを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 バックスキャター協調が、追加の時間リソースを要せず、非協調方式および従来の中継方式よりも優れたoutage性能を達成できるか？
• RQ2 BC-NOMA方式は、スペクトル効率および伝送信頼性の観点から、CR-NOMAおよびIR-NOMAと比べてどのように異なるか？
• RQ3 BC-NOMA方式の分散多重度トレードオフ（DMT）性能は何か？また、システムパラメータに従ってどのようにスケーリングされるか？
• RQ4 従来の中継方式が多様性を得るためにレートを犠牲にするのとは異なり、BC-NOMA方式は信頼性を向上させつつも高いデータレートを維持できるか？
• RQ5 高SNR領域において、outage確率および期待レートの理論的導出結果とシミュレーション結果の一致度合いはどの程度か？

主な発見

• 提案されたBC-NOMA方式は、outage確率、期待レート、分散多重度トレードオフ（DMT）の観点で、NC-NOMA方式を厳密に上回る性能を発揮する。
• BC-NOMAは分散次数 $2 - 2r_A - 2r_B$ を達成し、NC-NOMAより高く、同じ条件下でCR-NOMAおよびIR-NOMAと同等または優れた性能を示す。
• CR-NOMAおよびIR-NOMAとは異なり、BC-NOMAは伝送レートを低下させることなく伝送信頼性を向上させ、スペクトル効率を保持する。
• モンテカルロシミュレーションにより理論的結果が確認され、BC-NOMAは最小限の実装オーバーヘッドで、すべてのSNR領域において高い性能を維持することが示された。
• 専用の中継時間スロットの必要がないため、従来の中継NOMA手法よりもスペクトル効率が優れている。
• 漸近的解析により、BC-NOMAのoutage確率が $1/P_{\text{p}}^{2-2r_A-2r_B}$ のように減少することが確認され、強力な多様性ゲインを示している。