[論文レビュー] Novel Time Asynchronous NOMA schemes for Downlink Transmissions

Mehdi Ganji, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|Aug 27, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 37被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、ダウンリンクのスペクトル効率を向上させるために意図的な時間非同期を活用する2つの新しい非直交多重アクセス（NOMA）方式—非同期パワー・ドメイン NOMA（AP-NOMA）およびタイムドメイン NOMA（T-NOMA）—を提案する。T-NOMAは、制御されたシンボルオフセットと先行処理を導入することで、従来のP-NOMAおよびAP-NOMAよりも広い可能なレート領域を達成し、特にユーザー間のチャネル条件が非対称な場合に、合計レートと公平性に優れる。

ABSTRACT

In this work, we investigate the effect of time asynchrony in non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes for downlink transmissions. First, we analyze the benefit of adding intentional timing offsets to the conventional power domain-NOMA (P-NOMA). This method which is called Asynchronous-Power Domain-NOMA (AP-NOMA) introduces artificial symbol-offsets between packets destined for different users. It reduces the mutual interference which results in enlarging the achievable rate-region of the conventional P-NOMA. Then, we propose a precoding scheme which fully exploits the degrees of freedom provided by the time asynchrony. We call this multiple access scheme T-NOMA which provides higher degrees of freedom for users compared to the conventional P-NOMA or even the modified AP-NOMA. T-NOMA adopts a precoding at the base station and a linear preprocessing scheme at the receiving user which decomposes the broadcast channel into parallel channels circumventing the need for Successive Interference Cancellation (SIC). The numerical results show that T-NOMA outperforms AP-NOMA and both outperform the conventional P-NOMA. We also compare the maximum sum-rate and fairness provided by these methods. Moreover, the impact of pulse shape and symbol offset on the performance of AP-NOMA and T-NOMA schemes are investigated.

研究の動機と目的

• ダウンリンク伝送における従来の直交多重アクセス（OMA）の非効率性と公平性の制限を解消すること。
• 従来は障害要因と見なされてきた時間非同期のNOMAにおける潜在的利点を調査すること。
• タイミングオフセットをリソースとして活用する新しいNOMA方式の設計を通じて、スペクトル効率とユーザーの公平性を向上させること。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）の必要性を排除するため、ブロードキャストチャネルを並列伝送に変換する先行処理およびプレプロセッシング戦略の開発。
• さまざまなチャネル条件およびパルス形状下でのP-NOMA、AP-NOMA、T-NOMAの合計レートおよび公平性性能の比較。

提案手法

• ユーザーのパケット間で意図的なタイミングオフセットを導入することで、パワー・ドメイン NOMA における相互干渉を低減するAP-NOMAを提案する。
• 基地局での先行処理とユーザーでの線形プレプロセッシングを組み合わせたT-NOMAを導入し、ブロードキャストチャネルを並列リンクに分解する。
• 送信側で先行処理行列を、各ユーザーで受信フィルタを用いることで、SICを必要とせず干渉のない並列伝送を実現する。
• 情報理論的解析を用いて各方式の実現可能レートを導出し、最適なパワー割り当ての閉形式表現を提示する。
• パルス形状とシンボルオフセットが性能に与える影響を分析し、最適な形状化がさらにスペクトル効率を向上させることを示す。
• 数学的最適化を用いて各方式の最適パワー割り当てを導出し、得られた合計レートを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 意図的な時間非同期は、ダウンリンク NOMA システムにおける実現可能レート領域を向上させ得るか？
• RQ2 AP-NOMA において人工的なシンボルオフセットを導入することで、従来のP-NOMAと比較してユーザー間干渉はどのように低減されるか？
• RQ3 さまざまなチャネル条件下で、T-NOMA がP-NOMAおよびAP-NOMAに対して達成可能な最大合計レート向上はどの程度か？
• RQ4 パルス形状の選択が、タイミングオフセットを伴うAP-NOMAおよびT-NOMAの性能に与える影響は何か？
• RQ5 T-NOMA がP-NOMAおよびAP-NOMAの両方を厳密に上回る合計レートを達成する条件は何か？

主な発見

• T-NOMA は、特にユーザー間のチャネル品質が非対称な場合に、P-NOMAおよびAP-NOMAよりも厳密に大きな実現可能レート領域を達成する。
• ノイズ功率が等しい（σ₁ = σ₂）チャネルでは、AP-NOMA はP-NOMAが強いユーザーにのみパワーを割り当てるのに対し、両ユーザーに非ゼロパワーを割り当てることで、P-NOMAより高い合計レートを達成する。
• チャネルの信号対ノイズ比の差が (1−g)P を超えると、AP-NOMA は両ユーザーに非ゼロパワーを割り当て、P-NOMA より高い合計レートを達成する。
• T-NOMA の最適パワー割り当ては P₁* = (P + σ₂ − σ₁)/2 で与えられ、チャネルが非対称な場合にバランスの取れたパワー使用が可能になる。
• T-NOMA は先行処理により並列チャネル分解を可能にし、SIC を回避して干渉を低減できるため、すべての方式の中で最高の合計レートを達成する。
• T-NOMA の合計レートは常にAP-NOMA以上であり、両ユーザーに非ゼロパワーが割り当てられる場合には厳密に大きい。