[論文レビュー] Joint Pilot and Payload Power Control for Uplink MIMO-NOMA with MRC-SIC Receivers

Zhiqiang Wei, Derrick Wing Kwan Ng+1 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、MRC-SIC受信機を備えた上行リンクMIMO-NOMAにおいて、チャネル推定誤差によって引き起こされる誤り伝播を軽減するため、パイロットとパケットパワーの共同割り当て（JPA）方式を提案する。最小加重平均SINRを最大化する非凸最適化問題を定式化し、幾何プログラミングを用いて解くことで、特に中程度のエネルギー予算領域において、従来のパワー割り当て手法を上回る優れたBER性能を達成する。

ABSTRACT

This letter proposes a joint pilot and payload power allocation (JPA) scheme to mitigate the error propagation problem for uplink multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO-NOMA) systems. A base station equipped with a maximum ratio combining and successive interference cancellation (MRC-SIC) receiver is adopted for multiuser detection. The average signal-to-interference-plus-noise ratio (ASINR) of each user during the MRC-SIC decoding is analyzed by taking into account the error propagation due to the channel estimation error. Furthermore, the JPA design is formulated as a nonconvex optimization problem to maximize the minimum weighted ASINR and is solved optimally with geometric programming. Simulation results confirm the developed performance analysis and show that our proposed scheme can effectively alleviate the error propagation of MRC-SIC and enhance the detection performance, especially for users with moderate energy budgets.

研究の動機と目的

• MRC-SIC復調中に発生するチャネル推定誤差によって引き起こされる誤り伝播問題に対処すること。
• 全エネルギー予算制約下でパイロットおよびパケットパワーの共同最適化を実施し、システムの公平性と信頼性を向上させること。
• ユーザー間の最小加重平均信号対インターフェアレンス＋ノイズ比（ASINR）を最大化することで、全体の検出性能を向上させること。

提案手法

• 最小加重平均ASINRを最大化する目的関数として、パイロットおよびパケットパワーの共同割り当て（JPA）問題を非凸最適化問題として定式化する。
• MRC-SIC復調中の各ユーザーの平均SINR（ASINR）を分析し、チャネル推定誤差（CEE）および残存干渉を考慮する。
• 現実的なチャネル推定をモデル化するために、最小分散推定器（MMSE）を採用する。
• 非凸JPA問題のグローバル最適解を求めるために、幾何プログラミングを用いる。
• 符号語レベルの逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、符号増幅を活用して誤り耐性を向上させる。
• 実用的妥当性を確保するため、パイロットおよびパケットパワーにエネルギー予算制約を課す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル推定誤差は、上行リンクMIMO-NOMAにおけるMRC-SIC復調の平均SINRおよび誤り伝播にどのように影響を与えるか？
• RQ2 固定された全エネルギー予算下で、誤り伝播を最小化するためのパイロットパワーとパケットパワーの最適なトレードオフは何か？
• RQ3 従来の手法と比較して、パイロットおよびパケットパワーの共同最適化がBER性能を顕著に改善できるか？
• RQ4 特に中程度のパワー領域と高パワー領域とを比較した場合、提案されたJPA方式の性能はどのように変化するか？
• RQ5 Jainの公平性指数で測定した場合、既存のパワー割り当て戦略と比較して、JPA方式はどれほど公平性を向上させるか？

主な発見

• 提案されたJPA方式は、ユーザー1、2、3についてパイロットパワーのみの（PPA）方式と比較して、2 dB高いASINRを達成し、干渉抑制性能が優れていることを示している。
• JPA方式のJainの公平性指数（JFI）は0.9983に達し、PPA方式（0.9436）およびEPA方式（0.6174）を大きく上回っており、公平性の向上が明確に示されている。
• JPA方式では、すべてのユーザーにおいてBER性能が著しく低く抑えられており、特に符号化系では、提案された最適化下で全ユーザーのBERが10⁻³未満に抑えられている。
• JPA方式のBER向上効果は、特に中程度のエネルギー予算領域で顕著であり、この領域ではチャネル推定精度がパワー割り当てに最も敏感に影響を受ける。
• IUI、CEE、SIC誤差伝播の複合的影響により、BERの10⁻²から10⁻⁵の領域に誤り床が現れることが判明し、反復受信機の導入によりさらなる改善の余地があると示唆している。