[論文レビュー] NOMA in Distributed Antenna System for Max-Min Fairness and Max-Sum-Rate

Dong-Jun Han, Minseok Choi+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 16, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、中心基地（BS）が近端ユーザーと遠端ユーザーの両方をNOMAでサービス提供する一方、リモートラジオユニット（RRU）は弱い（遠端）ユーザーにのみ支援を行う、単セル分散アンテナシステム（DAS）における非直交多重アクセス（NOMA）を提案する。2つの送信戦略—カバーイング送信とシングルセレクション送信—を用いる。提案されたNOMA（カバーイング送信）は、従来のNOMA、共同送信NOMA、およびシングルセレクション方式と比較して、最大最小公平性とスルーレート性能が優れており、送信電力を低減しても同様の性能を達成する。

ABSTRACT

Distributed antenna system (DAS) has been deployed for over a decade. DAS has advantages in capacity especially for the cell edge users, in both single-cell and multi-cell environments. In this paper, non-orthogonal multiple access (NOMA) is suggested in single-cell DAS to maximize user fairness and sumrate. Two transmission strategies are considered: NOMA with single selection transmission and NOMA with blanket transmission. In a two-user scenario, the center base station (BS) uses NOMA to serve both users and the remote radio units (RRUs) serve only the weak user based on the transmission scheme. The signals sent from the RRUs are not considered as interference at both user sides. At one side, the signals from the RRUs are used to detect the required data and at the other side, the signals are used to perform successive interference cancellation (SIC). The max-min performance is studied when instantaneous channel gain information (CGI) or channel distribution information (CDI) is known at the transmitter. A closed-form expression of the upper bound is derived for the data rate of each user with only CDI. In addition, the sum-rate is studied with a minimum rate constraint when instantaneous CGI known at the transmitter. The results show that NOMA with blanket transmission gives the best performance compared to other schemes; conventional-NOMA, conventional single selection scheme and joint-transmission (JT) NOMA. It is also shown that with less transmit power, NOMA with single selection transmission gives better performance than conventional-NOMA.

研究の動機と目的

• 5Gセルラー通信網における高スペクトル効率と公平性を、ユーザー密度の高い環境でも達成する課題に対処すること。
• RRU協調を統合したNOMAを用いて、単セル分散アンテナシステム（DAS）におけるユーザー公平性とスルーレートを向上させること。
• 送信側に瞬時のチャネル状態情報（CSI）と統計的チャネル状態情報（CSI）の両方がある状況下で、DASにおけるNOMAの性能向上を調査すること。
• 最大最小公平性とスルーレートの観点から、提案されたNOMA方式を従来のNOMA、共同送信（JT）NOMA、およびシングルセレクションNOMAと比較すること。

提案手法

• システムモデルは、1つの中心基地（BS）と6台の地理的に分散されたRRUから構成され、各RRUは単一アンテナ送信を実行し、近端ユーザーと遠端ユーザーの2名のユーザーをサービス提供する。
• 2つの送信戦略を提案する：(1) カバーイング送信、ここで全RRUが遠端ユーザーの支援のために信号を送信する；(2) シングルセレクション送信、ここで1つのRRUのみが選択されて送信を行う。
• 中心BSはNOMAを用いて電力割り当てを実行し、近端ユーザーの順次インタフェンスキャンセリング（SIC）を活用して、異なる電力レベルで両ユーザーを同時にサービス提供する。
• 最大最小公平性を達成するため、チャネル分布情報（CDI）のみを用いてユーザー速度の閉形式上界を導出し、瞬時のCGIおよびCDIの両条件下での電力割り当て最適化を実施する。
• スルーレート最大化は、最小レート制約下で検討され、瞬時のチャネルゲイン情報（CGI）に基づいて電力割り当てを最適化する。
• 性能評価は、近端ユーザーと遠端ユーザーの両方に対して一様分布モデルを用いたモンテカルロシミュレーションにより実施され、提案方式を従来のNOMAおよびJT-NOMAと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 カバーイング送信およびシングルセレクション送信戦略を用いたDASにおけるNOMAは、従来のNOMAおよびJT-NOMAと比較して、最大最小公平性をどのように向上させるか？
• RQ2 送信側に統計的（CDI）または瞬時の（CGI）チャネル状態情報のみが利用可能な場合、ユーザーデータレートの達成可能な上界は何か？
• RQ3 シングルセレクション送信を用いたNOMAは、総送信電力を20％低減しても、従来のNOMAよりも優れた性能を達成できるか？
• RQ4 最小レート制約下でのスルーレート性能はどのように変化するか？また、公平性とスペクトル効率のトレードオフにおいて、どの方式が最良の性能を示すか？
• RQ5 ユーザー位置分布（近端ユーザー対遠端ユーザー）がDASにおけるNOMAの性能に与える影響は何か？

主な発見

• カバーイング送信を用いたNOMAは、最大最小公平性が最も高く、CDIのみが利用可能な状況下でもJT-NOMAの上界を上回る性能を達成する。
• 送信側にCDIのみが利用可能な場合、ユーザー速度の閉形式上界が導出され、瞬時のCSIが不要な効率的な電力割り当てが可能になる。
• シングルセレクション送信を用いたNOMAは、20％の総送信電力を削減しても、従来のNOMAよりも優れた性能を達成する。これは、標的型RRU協調によるものである。
• 最小レート制約下では、低レート要件では集中型電力割り当てによる従来のNOMAが最良の性能を示すが、制約が高くなるにつれて提案方式がそれを上回る。
• 高SNRおよび中程度のレート制約下では、提案されたNOMA方式は、特に現実的なユーザー分布モデル下で、従来のNOMAおよびJT-NOMAに比してスルーレートで一貫して優れた性能を示す。
• 結果から、RRUを用いてセルエッジ（弱い）ユーザーにのみ支援を行うことで、DASにおけるNOMAが公平性とスペクトル効率の両方を顕著に向上させることを確認した。