[論文レビュー] Heterogeneous Networks with Power-Domain NOMA: Coverage, Throughput and Power Allocation Analysis

Chun‐Hung Liu, Di-Chun Liang|arXiv (Cornell University)|Aug 10, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、確率的幾何学を用いて、覆蓋確率およびスループットの正確な式を導出することにより、異種セルラーネットワークにおける2つのNOMA方式—非協調NOMAおよび協調的ジョイント伝送NOMA（JT-NOMA）—を提案および分析する。最適なパワー割り当てがシステム性能を顕著に向上させることを示しており、特に、空き状態の基地局を活用して最も弱いユーザーを支援することで、JT-NOMAは公平性およびスペクトル効率を著しく向上させることを明らかにする。

ABSTRACT

In a heterogeneous cellular network (HetNet), consider that a base station in the HetNet is able to simultaneously schedule and serve K users in the downlink by performing the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme. This paper aims at the preliminary study on the downlink coverage and throughput performances of the HetNet with the non-cooperative and the (proposed) cooperative NOMA schemes. First, the coverage probability and link throughput of K users in each cell are studied and their accurate expressions are derived for the non-cooperative NOMA scheme in which no BSs are coordinated to jointly transmit the NOMA signals for a particular user. We show that the coverage and link throughput can be largely reduced if transmit power allocations among the K users do not satisfy the constraint derived. Next, we analyze the coverage and link throughput of K users for the cooperative NOMA scheme in which the void BSs without users are coordinated to enhance the farthest NOMA user in a cell. The derived accurate results show that cooperative NOMA can significantly improve the coverage and link throughput of all users. Finally, we show that there exist optimal power allocation schemes that maximize the average cell coverage and throughput under some derived power allocation constraints and numerical results validate our analytical findings.

研究の動機と目的

• パワー領域非直交多重アクセス（NOMA）を用いた異種ネットワーク（HetNets）における下行リンクの覆蓋およびスループット性能を分析すること。
• 空き基地局が最も遠方のユーザーを支援する、提案された協調的ジョイント伝送NOMA（JT-NOMA）方式と非協調NOMAとの間の性能差を評価すること。
• 干渉およびパワー制約の下で、平均セル覆蓋およびスループットを最大化する最適なパワー割り当て戦略を導出すること。
• 数値シミュレーションを通じて解析結果を検証し、パワー割り当てのシステム性能への影響を示すこと。

提案手法

• 基地局およびユーザーの空間的分布を確率的幾何学でモデル化し、干渉および信号強度の解析を容易にする。
• ユーザーのチャネル利得およびパワー割り当てに基づき、非協調NOMAにおける各セルのKユーザーに対する覆蓋確率およびリンクスループットの正確な閉形式式を導出する。
• 空き基地局が協調的に信号を送信することで、セル内の最も弱い（最も遠い）ユーザーの性能を向上させる、協調的JT-NOMA方式を提案する。
• SINR要件に基づいて導出された、公平性を確保し、システムスループットを最大化するパワー割り当て制約モデルを導入する。
• ユーザー端末で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、パワー領域における複数ユーザーの信号を復調する。
• ワイエルシュトラスの定理を用いて、すべてのユーザーの平均覆蓋を最大化する最適なパワー割り当てベクトルの存在を証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Kユーザー間でパワー割り当てが最適でない場合、非協調NOMAはHetNetにおける覆蓋およびスループットにどのように影響を与えるか？
• RQ2 空き基地局を活用することで、協調的JT-NOMAはセル内の最も弱いユーザーの覆蓋およびスループットをどの程度向上させ得るか？
• RQ3 実用的制約下で平均セル覆蓋および合計スループットを最大化する最適なパワー割り当て戦略は何か？
• RQ4 さまざまなネットワーク条件下で、導出された覆蓋およびスループットの解析式は、数値結果とどのように一致するか？

主な発見

• Kユーザー間のパワー割り当てが導出されたパワー制約に違反する場合、非協調NOMAの性能は著しく低下し、特に最も弱いユーザーの覆蓋およびスループットが顕著に低下する。
• 協調的JT-NOMAは、空き基地局を活用して最も遠いユーザーの信号を強化することで、すべてのユーザーの覆蓋確率およびリンクスループットに顕著な向上をもたらす。
• 導出された最適パワー割り当て方式は、平均セル覆蓋およびスループットを最大化し、解析結果は数値シミュレーションによって検証されている。
• パワー割り当てベクトルがSINRおよびパワー制約によって定義されるコン pact かつ凸な実行可能領域内にある場合、平均覆蓋およびスループットが最大化される。
• K番目のユーザー（最も弱いユーザー）の覆蓋確率は、確率的幾何学を用いて閉形式で導出されており、パワー割り当て比および路損失指数に単調な依存関係を示す。
• 合計スループットは、ユーザーのSIRの調和平均を最適化するようにパワー割り当てベクトルが選ばれた場合に最大化され、公平性およびスペクトル効率が保証される。