[論文レビュー] Energy-Efficient Resource Allocation in NOMA Heterogeneous Networks

Haijun Zhang, Fang Fang+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 14, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 9

ひとこと要約

本稿では、完全および不完全なチャネル状態情報（CSI）の下で凸最適化を用いてユーザスケジューリングとパワー割り当てを統合する、ダウンリンク5G NOMAヘテロジニアスネットワーク向けの2段階のエネルギー効率的リソース割り当て方式を提案する。この方式は、不完全CSI下で等価パワー割り当てのOFDMAと比較して、最大27%高いエネルギー効率を達成し、システム全体のエネルギー効率を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted much recent attention owing to its capability for improving the system spectral efficiency in wireless communications. Deploying NOMA in heterogeneous network can satisfy users' explosive data traffic requirements, and NOMA will likely play an important role in the fifth-generation (5G) mobile communication networks. However, NOMA brings new technical challenges on resource allocation due to the mutual cross-tier interference in heterogeneous networks. In this article, to study the tradeoff between data rate performance and energy consumption in NOMA, we examine the problem of energy-efficient user scheduling and power optimization in 5G NOMA heterogeneous networks. The energy-efficient user scheduling and power allocation schemes are introduced for the downlink 5G NOMA heterogeneous network for perfect and imperfect channel state information (CSI) respectively. Simulation results show that the resource allocation schemes can significantly increase the energy efficiency of 5G NOMA heterogeneous network for both cases of perfect CSI and imperfect CSI.

研究の動機と目的

• 5G NOMAヘテロジニアスネットワークにおけるクロスティアインターフェンスとエネルギー消費の課題に対処すること。
• ダウンリンクNOMAヘテロジニアスネットワークにおけるユーザスケジューリングとパワー割り当てを最適化し、システム全体のエネルギー効率を向上させること。
• 完全および不完全なCSI条件下で、近似的最適だが効率的なリソース割り当て方式を開発すること。
• 提案手法の性能向上を従来のOFDMAおよび等価パワー割り当て手法と比較して評価すること。

提案手法

• 2段階アプローチを採用：まず、推定されたCSIに基づく近似的最適ユーザスケジューリングを実施し、高チャネルゲインを持つマクロセルユーザに優先順位を付けてサブバンドに割り当てる。
• 各サブバンドごとのパワー割り当てを最適化するための「分数送信パワー割り当て（FTPA）」方式を適用し、干渉を低減するとともにエネルギー効率を向上させる。
• パワー割り当て問題を凸最適化問題としてモデル化し、勾配支援バイナリサーチアルゴリズムを用いて最適解への収束を保証する。
• 各スモールセルに専用のサブバンドを割り当てることで、セル内干渉を防止するサブバンド割り当て戦略を実装する。
• 完全および不完全なCSIの両方のシナリオを考慮し、性能評価においてチャネル推定誤差分散を重要なパラメータとして用いる。
• 同じサブバンドに多重化された複数ユーザを受信側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）により復調することで、NOMAのスペクトル効率の利点を活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 完全なCSI下で、5G NOMAヘテロジニアスネットワークにおけるユーザスケジューリングとパワー割り当てをどのように共同最適化することでエネルギー効率を最大化できるか？
• RQ2 不完全なCSI下での提案手法の性能劣化はどの程度であり、既存手法と比べてどのように異なるか？
• RQ3 スモールセル数が変化するヘテロジニアスネットワークにおいて、NOMAはOFDMAに比べてエネルギー効率でどの程度優れているか？
• RQ4 スモールセル数が異なる場合、さまざまなパワー割り当て戦略下でのシステムのエネルギー効率にどのような影響を与えるか？

主な発見

• スモールセル数が20で、推定誤差分散が0.05の不完全CSI下で、FTPAパワー割り当てを用いたNOMAヘテロジニアスネットワークは、等価パワー割り当てのOFDMAと比較して最大27%高いエネルギー効率を達成する。
• エネルギー効率はスモールセル数の増加に伴い向上する傾向にあり、NOMAベースのリソース割り当て方式のスケーラビリティとロバストネスを示している。
• 完全および不完全なCSI条件の両方のテストシナリオにおいて、NOMAヘテロジニアスネットワークは常にOFDMAヘテロジニアスネットワークをエネルギー効率面で上回る。
• 近似的最適ユーザスケジューリングとFTPAに基づくパワー割り当て方式は、全探索に比べて著しく低い計算複雑度で近似的最適性能を達成する。
• チャネル推定誤差分散の増加に伴いシステムのエネルギー効率は劣化するが、不完全CSI下でもNOMA方式はOFDMAを常に上回る性能を示す。