[論文レビュー] Impact of User Pairing on 5G Non-Orthogonal Multiple Access

Zhiguo Ding, Pingzhi Fan+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 8, 2014

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 6被引用数 60

ひとこと要約

本稿は5G非直交多重アクセス（NOMA）システムにおけるユーザー同士のペアリング戦略を調査し、固定電力割り当て（F-NOMA）と認知無線にインspiredされたNOMA（CR-NOMA）を比較している。F-NOMAでは、チャネル状態が著しく異なるユーザー同士をペアリングすることで、和スループットが最大化されることが示されている。一方、CR-NOMAでは、チャネル状態が悪いユーザーのQoSを優先し、強固なユーザーの分岐次数をmとして達成する。主な貢献は、ユーザー同士のペアリング選択に基づく性能向上とアウトージー行動の解析的特徴付けである。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) represents a paradigm shift from conventional orthogonal multiple access (MA) concepts, and has been recognized as one of the key enabling technologies for 5G systems. In this paper, the impact of user pairing on the performance of two NOMA systems, NOMA with fixed power allocation (F-NOMA) and cognitive radio inspired NOMA (CR-NOMA), is characterized. For FNOMA, both analytical and numerical results are provided to demonstrate that F-NOMA can offer a larger sum rate than orthogonal MA, and the performance gain of F-NOMA over conventional MA can be further enlarged by selecting users whose channel conditions are more distinctive. For CR-NOMA, the quality of service (QoS) for users with the poorer channel condition can be guaranteed since the transmit power allocated to other users is constrained following the concept of cognitive radio networks. Because of this constraint, CR-NOMA has different behavior compared to F-NOMA. For example, for the user with the best channel condition, CR-NOMA prefers to pair it with the user with the second best channel condition, whereas the user with the worst channel condition is preferred by F-NOMA.

研究の動機と目的

• 5G非直交多重アクセス（NOMA）システムにおけるユーザー同士のペアリングがシステム性能に与える影響を分析すること。
• 固定電力割り当て（F-NOMA）と認知無線にインspiredされたNOMA（CR-NOMA）という2つのNOMA変種を比較すること。
• 和スループットとアウトージー確率の解析的表現を導出することで、性能向上を定量的に評価すること。
• スペクトル効率を最大化し、QoS保証を実現する最適ペアリング戦略を特定すること。
• ハイブリッド多重アクセスシステムにおける動的ユーザー同士のペアリングのための設計指針を提供すること。

提案手法

• F-NOMAが周波数多重アクセスよりも高い和スループットを達成する確率について、高SNR近似を用いて正確な表現を導出する。
• F-NOMAと従来のMAとの間の和スループットギャップを分析し、ペアリングされたユーザー間のチャネル状態の差が大きいほどギャップが拡大することを示す。
• 送信電力を弱いユーザーのSINRによって制約することで、QoSを保証するCR-NOMA方式を提案する。
• CR-NOMAにおける強固なユーザーの正確なアウトージー確率表現を導出し、分岐次数がm（弱いユーザーのインデックス）に等しいことを示す。
• エルゴディックレート解析を用いて、異なるユーザーのチャネル状態を考慮したCR-NOMAの従来のMAに対する性能向上を評価する。
• シミュレーションを用いて解析結果を検証し、理論的表現を複数のSNR領域でモンテカルロシミュレーションと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ユーザー同士のペアリングは、F-NOMAの和スループット性能に、従来の直交多重アクセスと比べてどのように影響を与えるか？
• RQ2 F-NOMAにおけるスペクトル効率を最大化する最適なユーザー同士のペアリング戦略は何か？また、チャネル状態の差が性能向上に与える影響は？
• RQ3 チャネル状態が悪いユーザーのQoSは、CR-NOMAの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 CR-NOMAにおける強固なユーザーが達成する分岐次数は何か？また、ペアリング選択によってどのように決定されるか？
• RQ5 弱いユーザー（m）が固定されている場合、強いユーザー（n）の選択がCR-NOMAのアウトージー性能に影響を与えるか？

主な発見

• F-NOMAは、特にユーザー間のチャネル状態に著しい差がある場合、周波数多重アクセスよりも高い和スループットを達成する確率が非常に高い。
• F-NOMAの和スループット向上は、最も悪いチャネル状態のユーザー（m=1）と最も良いチャネル状態のユーザー（n=M）をペアリングすることで顕著に増大する。
• CR-NOMAでは、強固なユーザー（n）のアウトージー確率は、弱いユーザー（m）のチャネル品質に支配され、分岐次数がmに等しい。
• mの値を増やす（つまり、より良い品質の弱いユーザーとペアリングする）ことで、CR-NOMAにおけるアウトージー確率は、高SNR領域でも顕著に低減される。
• CR-NOMAでは、mが固定されている場合、より強いユーザー（大きなn）をパートナーとして選ぶと、アウトージー確率の向上はほとんど得られない。これは、mに基づく分岐のボトルネックに起因する。
• CR-NOMAでは、最も強いユーザー（n=M）を第二位のユーザー（m=M−1）とペアリングする方が、最も悪いユーザー（m=1）とペアリングするよりも高いエルドリックレートを達成する。これはF-NOMAとは対照的である。