[論文レビュー] Fairness Comparison of Uplink NOMA and OMA

Zhiqiang Wei, Jiajia Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ユーザーのデータレートがシステム合計レートに与える寄与を分析することで、上行リンクNOMAとOMAの間の公平性に基づいた選択基準を提案する。非対称チャネルにおいてNOMAがOMAよりも優れた公平性を提供する状況を特定するため、Jainの指標を用いた閉形式の公平性指標を導入し、NOMAとOMAの間で適応的に切り替えるハイブリッドNOMA-OMA方式を設計した。シミュレーションにより、ハイブリッド方式のJainの指標が0.91に達することから、ユーザーの公平性が顕著に向上することが検証された。

ABSTRACT

In this paper, we compare the resource allocation fairness of uplink communications between non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes and orthogonal multiple access (OMA) schemes. Through characterizing the contribution of the individual user data rate to the system sum rate, we analyze the fundamental reasons that NOMA offers a more fair resource allocation than that of OMA in asymmetric channels. Furthermore, a fairness indicator metric based on Jain's index is proposed to measure the asymmetry of multiuser channels. More importantly, the proposed metric provides a selection criterion for choosing between NOMA and OMA for fair resource allocation. Based on this discussion, we propose a hybrid NOMA-OMA scheme to further enhance the users fairness. Simulation results confirm the accuracy of the proposed metric and demonstrate the fairness enhancement of the proposed hybrid NOMA-OMA scheme compared to the conventional OMA and NOMA schemes.

研究の動機と目的

• 非対称チャネル条件下の上行リンクシステムにおいて、NOMAがOMAよりも優れたリソース割り当ての公平性を提供する理由を分析すること。
• 2ユーザー系システムにおいて、NOMAがOMAよりも公平性が高いと判断できる定量的公平性指標を確立すること。
• 提案された公平性指標に基づき、NOMAとOMAの間を適応的に選択するハイブリッドNOMA-OMA方式を設計し、公平性をさらに向上させること。
• 提案された指標の正確性を検証し、シミュレーションを用いてハイブリッド方式の公平性向上効果を示すこと。

提案手法

• 各ユーザーのデータレートがシステム合計レートに与える寄与を特徴づけることで、非対称チャネルにおけるNOMAの内在的公平性優位性を説明する。
• チャネル利得比としきい値βに基づく閉形式の公平性指標を提案し、NOMAのJainの公平性指標がOMAを上回る条件から導出する。
• 実用的条件下での意思決定を簡素化するため、公平性指標の高SNR近似を導入する。
• 公平性指標がNOMAがより公平であると示す場合に限りNOMAを選択し、それ以外はOMAを選択するハイブリッドNOMA-OMA方式を設計する。
• 公平性性能の定量的評価と比較のため、Jainの指標を公平性指標として用いる。
• Rayleigh fadingチャネルと3GPPパスロスモデルを用いたモンテカルロシミュレーションにより、提案された指標と方式の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非対称チャネル利得を有する上行リンクシステムにおいて、NOMAがなぜOMAよりも内在的に優れたリソース割り当ての公平性を提供するのか？
• RQ2 ユーザーのレート分布の観点から、どのようなチャネル条件下でNOMAがOMAよりも公平性が高いのか？
• RQ3 2ユーザー上行リンクシステムにおいて、NOMAがOMAを上回る公平性を示すかどうかを予測できる閉形式指標を導出可能か？
• RQ4 適応的ハイブリッドNOMA-OMA方式は、単独のNOMAまたはOMAと比較して、どのように公平性を向上させるか？
• RQ5 提案されたハイブリッド方式は、マルチキャリアシステムにおける低レートユーザーの公平性をどの程度向上させるか？

主な発見

• 提案された公平性指標は、NOMAがOMAよりも公平である状況を正確に予測しており、シミュレーション結果が理論的予測とよく一致する。
• 高SNR領域では、NOMAがOMAよりも公平である確率が0.75～0.80に達する。これは主に、チャネル利得比とユーザーレートの間の対数的マッピングに起因する。
• ハイブリッドNOMA-OMA方式はJainの公平性指標が0.91に達し、NOMA（0.76）およびOMA（0.62）を著しく上回る。
• ハイブリッド方式における10パーセンタイルユーザーのレートは、NOMAと比較して約1ビット/秒/Hz向上しており、低レートユーザーの性能向上が示された。
• 高送信電力領域では、NOMAの公平性が干渉制限の強いユーザーに起因して低下するが、依然としてOMAよりも公平である確率は約0.75に保たれる。
• 送信電力が増加するにつれて、NOMAがOMAよりも公平である確率は低下する。これは、高電力領域においてNOMAが干渉制限に陥るためである。