[論文レビュー] Cooperative HARQ Assisted NOMA Scheme in Large-scale D2D Networks

Zheng Shi, Shaodan Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

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ひとこと要約

本稿では、確率的幾何学的手法を用いて空間的・時間的干渉相関をモデル化することで、大規模なD2Dネットワークにおける協調的HARQ支援NOMA方式を提案する。停電制約下でのパワー割り当てとレート選択を統合最適化することにより、HARQ支援OMAと比較して停電確率を32%低減し、スループットを47%向上させ、NOMA性能における干渉に配慮した設計の重要性を示している。

ABSTRACT

This paper develops an interference aware design for cooperative hybrid automatic repeat request (HARQ) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme for large-scale device-to-device (D2D) networks. Specifically, interference aware rate selection and power allocation are considered to maximize long term average throughput (LTAT) and area spectral efficiency (ASE). The design framework is based on stochastic geometry that jointly accounts for the spatial interference correlation at the NOMA receivers as well as the temporal interference correlation across HARQ transmissions. It is found that ignoring the effect of the aggregate interference, or overlooking the spatial and temporal correlation in interference, highly overestimates the NOMA performance and produces misleading design insights. An interference oblivious selection for the power and/or transmission rates leads to violating the network outage constraints. To this end, the results demonstrate the effectiveness of NOMA transmission and manifest the importance of the cooperative HARQ to combat the negative effect of the network aggregate interference. For instance, comparing to the non-cooperative HARQ assisted NOMA, the proposed scheme can yield an outage probability reduction by $32$%. Furthermore, an interference aware optimal design that maximizes the LTAT given outage constraints leads to $47$% throughput improvement over HARQ-assisted orthogonal multiple access (OMA) scheme.

研究の動機と目的

• NOMAシステムにおいて総合干渉を無視することで生じる性能の過大評価を是正すること。
• HARQ支援NOMAを用いたD2Dネットワークにおける空間的および時間的干渉相関をモデル化し、その影響を考慮すること。
• 長期平均スループット（LTAT）とエリアスペクトル効率（ASE）を最大化する干渉に配慮した最適化フレームワーク（パワーおよびレート割り当て）を構築すること。
• 大規模D2DネットワークにおけるNOMAとOMAの性能差を定量化し、協調性およびHARQの影響を評価すること。

提案手法

• D2Dデバイスをポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、ランダムな空間配置と干渉を捉える。
• 確率的幾何学的手法を用いて、NOMAユーザー間の空間的干渉相関およびHARQ再送信における時間的相関を考慮した停電確率およびLTATの正確な式を導出する。
• シミュレーションによる検証を通じて、効率的な最適化が可能な近似LTAT式を導出する。
• 個々のユーザーの停電制約下でLTATを最大化する干渉に配慮した共同レートおよびパワー最適化フレームワークを提案する。
• 分解理論を適用して最適化問題を分離し、最適なパワー割り当ておよび伝送レートを導出する。
• 解析的およびシミュレーション結果を通じて、非協調的HARQ-NOMAおよびHARQ支援OMAと比較して、提案手法の優位性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 空間的および時間的干渉相関を無視すると、大規模D2DネットワークにおけるNOMA性能にどのような影響を与えるか？
• RQ2 協調的HARQは、NOMAベースのD2D通信における停電確率およびスループットにどのような影響を及えるか？
• RQ3 干渉に配慮したパワーおよびレート割り当ては、従来の手法と比較してLTATおよびASEをどのように向上させるか？
• RQ4 停電制約下でのHARQ支援NOMAにおける最適なパワー割り当て戦略は何か？
• RQ5 HARQおよび協調性を適用した場合、NOMAとOMAのスペクトル効率および信頼性において、どのような差が生じるか？

主な発見

• 総合干渉および干渉相関を無視すると、NOMA性能が著しく過大評価され、誤った設計インサイトが得られる。
• 提案された協調的HARQ支援NOMA方式は、非協調的HARQ-NOMAと比較して停電確率を32%低減する。
• 干渉に配慮した最適設計により、同じ停電制約下でHARQ支援OMAと比較してスループットが47%向上する。
• 停電制約下での最適パワー割り当て戦略は、NOMAユーザーを完全に駆動（β² = 1）するものであり、セカンドユーザーはレートをゼロに達する。これは、パワーを強いユーザーに優先的に割り当てるべきであることを示している。
• 導出された近似LTAT式は精度が高く、システムパラメータの効率的最適化を可能にする。
• 空間的および時間的干渉相関は、正確にモデル化することが重要であり、無視すると信頼性の低い性能予測が得られる。