[論文レビュー] On the Performance Gain of NOMA over OMA in Uplink Communication Systems

Zhiqiang Wei, Lei Yang+3 more|arXiv (Cornell University)|Mar 5, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 59被引用数 16

ひとこと要約

本稿は、上行セルラー通信システムにおける非直交多重アクセス（NOMA）と直交多重アクセス（OMA）の間のエルゴディック和レートゲイン（ESG）を解析的に定量的に評価している。NOMAは、パスロスによる大規模な近端・遠端ゲインと、瑞々しい瑞々しいフェージングゲインにより顕著なESGを達成しており、マッスィブMIMO環境下では、基地局のアンテナ数とユーザー数に比例して性能が向上する。一方、マルチセル環境では、セル間干渉が性能を劣化させる。

ABSTRACT

In this paper, we investigate and reveal the ergodic sum-rate gain (ESG) of non-orthogonal multiple access (NOMA) over orthogonal multiple access (OMA) in uplink cellular communication systems. A base station equipped with a single-antenna, with multiple antennas, and with massive antenna arrays is considered both in single-cell and multi-cell deployments. In particular, in single-antenna systems, we identify two types of gains brought about by NOMA: 1) a large-scale near-far gain arising from the distance discrepancy between the base station and users; 2) a small-scale fading gain originating from the multipath channel fading. Furthermore, we reveal that the large-scale near-far gain increases with the normalized cell size, while the small-scale fading gain is a constant, given by $γ$ = 0.57721 nat/s/Hz, in Rayleigh fading channels. When extending single-antenna NOMA to $M$-antenna NOMA, we prove that both the large-scale near-far gain and small-scale fading gain achieved by single-antenna NOMA can be increased by a factor of $M$ for a large number of users. Moreover, given a massive antenna array at the base station and considering a fixed ratio between the number of antennas, $M$, and the number of users, $K$, the ESG of NOMA over OMA increases linearly with both $M$ and $K$. We then further extend the analysis to a multi-cell scenario. Compared to the single-cell case, the ESG in multi-cell systems degrades as NOMA faces more severe inter-cell interference due to the non-orthogonal transmissions. Besides, we unveil that a large cell size is always beneficial to the ergodic sum-rate performance of NOMA in both single-cell and multi-cell systems. Numerical results verify the accuracy of the analytical results derived and confirm the insights revealed about the ESG of NOMA over OMA in different scenarios.

研究の動機と目的

• 異なる展開シナリオにおける上行セルラーネットワークにおけるNOMAとOMAのエルゴディック和レートゲイン（ESG）を定量化すること。
• ESGの2つの根本的要因を特定・分析すること：大規模な近端・遠端ゲイン（パスロスによるもの）と小規模フェージングゲイン（レイリーフェージングによるもの）。
• 特にマッスィブMIMO環境下で、ESGが基地局アンテナ数（M）とユーザー数（K）にどのようにスケーリングするかを調査すること。
• マルチセル展開におけるNOMAの性能に及ぼすセル間干渉の影響を、シングルセル環境と比較して評価すること。
• 現実のチャネルおよびシステム条件下で、数値結果を用いて解析的結果の妥当性を検証すること。

提案手法

• 統計的チャネルモデルを用いて、単アンテナ、多アンテナ、およびマッスィブMIMO上行システムにおけるNOMAおよびOMAのエルゴディック和レートの閉形式表現を導出する。
• ユーザーのパスロスを、最小距離（D₀）と最大距離（D）を持つディスク型ユーザー分布を用いてモデル化し、大規模な近端・遠端ゲインの導出を可能にする。
• マッスィブMIMOにおけるチャネル硬化特性を適用し、和レートを比率M/Kの決定的関数として近似する。
• NOMAシステムにおける実用的検出をモデル化するため、逐次干渉キャンセレーション（SIC）と最大比率合成（MRC）を組み合わせる。
• 大規模なKおよびMに対する積分近似と漸近的解析を用いて、高ユーザーおよび高アンテナ環境下でのESGの扱いやすい表現を導出する。
• 等価なパワーおよびスケジューリングリソース割り当て下でNOMAとOMAの性能を比較し、エルゴディック和レートを主な性能指標として用いる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 上行システムにおけるNOMAがOMAに対して提供するエルゴディック和レートゲイン（ESG）の根本的要因は何か？
• RQ2 マッスィブMIMO展開において、NOMAのESGは基地局アンテナ数（M）とユーザー数（K）にどのようにスケーリングするか？
• RQ3 マルチセル環境とシングルセル環境とを比較した場合、セル間干渉はNOMAのESGにどのように影響するか？
• RQ4 大規模パスロス（近端・遠端効果）と小規模レイリーフェージングは、NOMAの性能ゲインにどのように影響するか？
• RQ5 ユーザー数およびアンテナ数が非常に大きくなる際、NOMAのESGは漸近的にどのように振る舞うか？

主な発見

• レイリーフェージングチャネルにおける小規模フェージングゲインは、定数0.57721 nat/s/Hzとして一定であり、システムパrameterに依存しない。
• 大規模な近端・遠端ゲインは、正規化セルサイズ（D/D₀）に比例して増加するため、大きなセルはNOMAにとって有利である。
• MアンテナNOMAシステムでは、ユーザー数が多数のとき、大規模および小規模ゲインの両方がMに比例してスケーリングする。
• 固定されたM/K比を有するマッスィブMIMOシステムでは、NOMAのESGはMおよびKの両方に対して線形に増加する。
• マルチセルシステムでは、セル間干渉がNOMAのESGを劣化させ、シングルセル環境と比較して不利に働く。
• K → ∞およびM → ∞となる極限において、NOMAの個々のユーザーレートはチャネル硬化により決定論的となるため、正確な漸近的和レート解析が可能になる。