[論文レビュー] HARQ-CC Enabled NOMA Designs With Outage Probability Constraints

Yanqing Xu, Donghong Cai+4 more|arXiv (Cornell University)|Nov 4, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 25被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、HARQ-CC対応NOMAシステムにおける平均送信電力の最小化を目的とし、厳密なユーザーのアウトージ確率制約のもとで、適応的電力割り当て方式を提案する。逐次凸近似（SCA）法とマッチング理論を用いたユーザー対応により、低複雑性で近似的最適性能を達成し、特に厳しいアウトージ要件下でも等電力割り当てを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, we aim to design an adaptive power allocation scheme to minimize the average transmit power of a hybrid automatic repeat request with chase combining (HARQ-CC) enabled non-orthogonal multiple access (NOMA) system under strict outage constraints of users. Specifically, we assume the base station only knows the statistical channel state information of the users. We first focus on the two-user cases. To evaluate the performance of the two-user HARQ-CC enabled NOMA systems, we first analyze the outage probability of each user. Then, an average power minimization problem is formulated. However, the attained expressions of the outage probabilities are nonconvex, and thus make the problem difficult to solve. Thus, we first conservatively approximate it by a tractable one and then use a successive convex approximation based algorithm to handle the relaxed problem iteratively. For more practical applications, we also investigate the HARQ-CC enabled transmissions in multi-user scenarios. The user-paring and power allocation problem is considered. With the aid of matching theory, a low complexity algorithm is presented to first handle the user-paring problem. Then the power allocation problem is solved by the proposed SCA-based algorithm. Simulation results show the efficiency of the proposed transmission strategy and the near-optimality of the proposed algorithms.

研究の動機と目的

• HARQ-CC対応NOMAシステムにおける平均送信電力の最小化に取り組むが、ユーザーごとのアウトージ確率制約が厳密に設定されている条件のもとで行う。
• 基地局に統計的CSIしか入手できない二ユーザーおよびマルチユーザー環境において、アウトージ確率式の非凸性に取り組む。
• マルチユーザーNOMAシステムにおける同時ユーザー対応および電力割り当ての低複雑性ソリューションを開発する。
• 再送回数が少ない状況でもタイトなアウトージ確率近似を提供することで、低遅延5Gおよびそれ以降のシステムへの適用可能性を確保する。
• シミュレーションによる検証を通じて、従来の電力割り当ておよびユーザー対応戦略に比べ、提案手法の優位性を示す。

提案手法

• HARQ-CC対応NOMAシステムにおけるユーザーのSINRアウトージ確率について、再送回数が少ない状況でも精度を保つタイトな近似を導出する。
• 個々のユーザーのアウトージ制約のもとでの平均電力最小化問題を定式化し、保守的近似を用いて非凸問題を扱いやすい形に変換する。
• 逐次凸近似（SCA）アルゴリズムを適用し、緩和された最適化問題を繰り返し解くことで収束を保証し、高品質な解を得る。
• マルチユーザー環境では、計算複雑度を低減しつつ性能を維持できるように、マッチング理論を用いてユーザー対応問題を効率的に解く。
• マッチングに基づくユーザー対応とSCAに基づく電力割り当てを統合し、二段階フレームワークでシステム性能を共同最適化する。
• 実際のチャネルモデルおよびシステムパrameter（最大送信電力、再送制限など）を用いた広範なシミュレーションにより、提案アルゴリズムの妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的CSIしか入手できない状況で、HARQ-CC対応NOMAシステムにおいて、ユーザーのアウトージ確率制約が厳密な条件下で平均送信電力をどのように最小化できるか？
• RQ2 再送回数およびアウトージ要件は、NOMAシステムにおける適応的電力割り当ての性能にどのような影響を与えるか？
• RQ3 マルチユーザーNOMAにおいて、近的最適性能を維持しつつ、同時ユーザー対応および電力割り当て問題を効率的に解く方法は何か？
• RQ4 低遅延および高信頼性要件下において、提案されたSCAベースのアルゴリズムは最適解をどの程度近似できるか？
• RQ5 マッチングベースのユーザー対応アルゴリズムは、全探索法と比較して、精度および複雑度の面でどのように異なるか？

主な発見

• 提案されたSCAベースのアルゴリズムは、二ユーザー状況において近的最適性能を達成しており、シミュレーション結果では全探索法と非常に一致する。
• 二ユーザー状況において、提案手法は等電力割り当て（EPA）および周波数分割多重アクセス（FDMA）方式を上回る性能を示し、特に厳しいアウトージ制約（例：δ = 0.01）下で顕著な優位性を示す。
• ユーザーが厳しいアウトージ要件（δ = 0.01）を満たす場合、最大再送回数（T）が増加するにつれて平均送信電力が著しく低下し、再送による利得が顕著に現れる。
• 提案手法と最適な全探索との性能差は非常に小さい——K=12ユーザー、δ=0.01では0.9%の損失、δ=0.1では2.6%の損失にとどまり、マッチングベースのユーザー対応アルゴリズムの高い精度を示している。
• アウトージ要件が緩やか（δが大きい）になると、提案手法とEPAとの性能差が縮小するため、高度な電力割り当てが特に厳密な信頼性要件下で最も効果を発揮することが示された。
• SINRアウトージ確率の近似は、再送回数が少ない状況でもタイトであることが確認され、低遅延5Gおよびそれ以降の応用に適している。