[論文レビュー] Majority Based TAS/MRC Scheme in Downlink NOMA Network with Channel Estimation Errors and Feedback Delay

Mahmoud Aldababsa, Oğuz Kucur|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 19被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、複数アンテナを備えた基地局およびユーザーを備えた下行NOMAシステムに対して、低複雑性の多数決ベースの送信アンテナ選択（TAS-maj）方式を提案する。TASと最大比率合成（MRC）を組み合わせることで性能を向上させる。TAS-majは、Nakagami-m fadingチャネルにおけるチャネル推定誤差およびフィードバック遅延が存在する状況でも、A^3 や AIA といった既存の準最適手法よりも、半数以上のユーザーに対してより高いエルゴディック和スループットを達成できることを示している。

ABSTRACT

The antenna selection (AS) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks is still a challenging problem since finding optimal AS solution may not be available for all channel realizations and has quite computational complexity when it exists. For this reason, in this paper, we develop a new suboptimal solution, majority based transmit antenna selection (TAS-maj), with significant reduction in computational complexity. The TAS-maj basically selects the transmit antenna with the majority. It is more efficient when compared to previously proposed suboptimal AS algorithms, namely max-max-max (A^3) and max-min-max (AIA) because these schemes are merely interested in optimizing the performance of the strongest and weakest users, respectively at the price of worse performance for the remaining users. On the other hand, the TAS-maj scheme yields better performance for more than half of mobile users in the NOMA networks. In this paper, we consider a multiple-input multiple-output communication system, where all the nodes are equipped with multi-antenna. Besides the TAS-maj is employed at the base station, a maximal ratio combining (MRC) is also employed at each mobile user in order to achieve superior performance. The impact of the channel estimation errors (CEEs) and feedback delay (FD) on the performance of the TAS-maj/MRC scheme is studied in the NOMA network over Nakagami-m fading channels.

研究の動機と目的

• NOMAネットワークにおける最適送信アンテナ選択（TAS）の高い計算複雑性に対処すること。
• 強いユーザーまたは弱いユーザーのみを最適化するのではなく、すべてのユーザーの性能をバランスさせる準最適TAS方式を開発すること。
• チャネル推定誤差およびフィードバック遅延がNOMAシステムにおけるTAS/MRCの性能に与える影響を分析すること。
• Nakagami-m fadingチャネルにおける提案されたTAS-maj方式のエルゴディック和スループットおよびユーザーの公平性を評価すること。
• TAS-majが、既存の準最適手法よりも半数以上のユーザーにおいて優れた性能を達成できることを実証すること。

提案手法

• 複数のユーザーにわたる有利なチャネルゲインの多数を占める送信アンテナを選択する、新たな準最適TAS方式TAS-majを提案する。
• 各複数アンテナ携帯端末ユーザーにおいて、最大比率合成（MRC）を用いて複数の受信アンテナからの信号をコherentlyに結合する。
• チャネル推定誤差およびフィードバック遅延による不完全なチャネル状態情報を伴うNakagami-m fadingチャネル上での下行NOMAシステムをモデル化する。
• CEEおよびFDを両方とも考慮したTAS-maj/MRC方式におけるエルゴディック和スループットの閉形式表現を導出する。
• 和スループットおよびユーザーの公平性という観点から、TAS-majの性能をA^3（max-max-max）およびAIA（max-min-max）といった既存の手法と比較する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的結果の妥当性を検証し、現実的なシステム劣化要因下での性能を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 TAS-majは、A^3およびAIAと比較して、エルゴディック和スループットおよびユーザーの公平性においてどのように異なるか？
• RQ2 チャネル推定誤差およびフィードバック遅延は、NOMAシステムにおけるTAS-maj/MRCの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 TAS-majは、既存の準最適手法よりも半数以上のユーザーにおいて優れた性能を達成できるか？
• RQ4 TAS-majのエルゴディック和スループットは、フェージングの激しさやアンテナ数といったシステムパラメータにどのようにスケーリングされるか？
• RQ5 提案されたTAS-maj方式において、計算複雑性と性能のトレードオフはどのようなものか？

主な発見

• TAS-majは、特に高SNR領域において、A^3およびAIAよりも高いエルゴディック和スループットを達成する。
• 提案された方式は、A^3およびAIAよりも半数以上のユーザーにおいて優れた性能を提供し、公平性の観点からも優位である。
• チャネル推定誤差およびフィードバック遅延はエルゴディック和スループットを低下させるが、TAS-majはこれらの劣化要因に対してもロバストである。
• TAS-majと最適TASとの性能差は小さいため、低複雑性であるにもかかわらず高い効率性を示している。
• シミュレーション結果は解析的導出を強く裏付け、理論的および実測の和スループット性能の間に強い一致を示している。
• TAS-majは、強いユーザーまたは弱いユーザーを過剰に優遇しないことから、ユーザーの公平性という観点でもA^3およびAIAを上回っている。