[論文レビュー] On the Performance of NOMA-based Cooperative Relaying with Receive Diversity

Vaibhav Kumar, Barry Cardiff+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

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

ひとこと要約

本稿では、リレーや受信局で選択結合（SC）および最大比率結合（MRC）を用いた非直交多重アクセス（NOMA）に基づく協調リレーシステムを提案する。合計スルーブット、 outage 確率、および分岐次数の閉形式式を導出しており、高SNRにおいて全分岐次数を達成し、従来のOMAよりスペクトル効率が優れていることを証明している。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is widely recognized as a potential multiple access (MA) technology for efficient spectrum utilization in the fifth-generation (5G) wireless standard. In this paper, we present the achievable sum rate analysis of a cooperative relaying system (CRS) using NOMA with two different receive diversity schemes - selection combining (SC), where the antenna with highest instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) is selected, and maximal-ratio combining (MRC). We also present the outage probability and diversity analysis for the CRS-NOMA system. Analytical results confirm that the CRS-NOMA system outperforms the CRS with conventional orthogonal multiple access (OMA) by achieving higher spectral efficiency at high transmit SNR and achieves a full diversity order.

研究の動機と目的

• NOMAベースの協調リレーシステム（CRS-NOMA）におけるレイリー fading 環境下での多アンテナ分岐結合の性能を分析すること。
• スペクトル効率および信頼性の観点から、従来の直交多重アクセス（OMA）リレーシステムと比較すること。
• SCおよびMRC結合下での実現可能合計スルーブット、outage 確率、分岐次数の閉形式式を導出すること。
• 解析的に、CRS-NOMA が全分岐次数を達成することを証明し、fading 環境における信頼性の向上を示すこと。
• NOMA を用いた協調分岐を用いた5G以降のネットワークにおけるパワー割り当ておよびシステム設計に関する知見を提供すること。

提案手法

• 単一アンテナの送信局、$N_r$ 個の受信アンテナを持つリレー、$N_d$ 個の受信アンテナを持つ受信局を有する半二重モードNOMAベースの協調リレーシステムをモデル化する。
• 2つのシンボルを同時に送信するために、パワー領域多重化を用い、パワー割り当て係数 $a_1 > a_2$、$a_1 + a_2 = 1$ を適用する。
• 2番目の時隙において、リレーで逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用い、$s_1$ を最初に復調し、次に $s_2$ を復調した後、$s_2$ を再送信する。
• リレーおよび受信局で選択結合（SC）および最大比率結合（MRC）を適用し、複数アンテナによる空間分岐を活用する。
• レイリー fading の順序統計を用いて、最も強いパスの瞬時SNRの累積分布関数（CDF）を導出する。
• 積分恒等式および特殊関数（例：指数積分、不完全ガンマ関数）を用いて、平均合計スルーブットおよびoutage 確率の閉形式式を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信分岐（SCおよびMRC）の使用が、NOMAベースの協調リレーシステムにおける実現可能合計スルーブットに与える影響は何か？
• RQ2 多アンテナ結合を用いたCRS-NOMAのoutage 確率性能は、従来のOMAリレーシステムと比較してどの程度か？
• RQ3 SCおよびMRC結合方式下で、CRS-NOMAは全分岐次数を達成するか？
• RQ4 リレーおよび受信局における受信アンテナ数の増加が、スペクトル効率および信頼性に与える影響は何か？
• RQ5 多アンテナ分岐を伴うレイリー fading 環境下で、合計スルーブットおよびoutage 確率の閉形式式を導出できるか？

主な発見

• 高SNRにおいて、従来のOMAベースの協調リレーシステムと比較して、CRS-NOMAシステムはより高い合計スルーブットを達成しており、スペクトル効率の優位性を示している。
• SCおよびMRC結合方式の両方において、全分岐次数 $N_r + N_d$ を達成しており、複数アンテナによる全分岐利得が確認されている。
• 指数積分および不完全ガンマ関数を用いて、SCおよびMRC結合の両方に対して平均実現可能合計スルーブットの閉形式式が導出された。
• outage 確率は解析的に導出され、リレーおよび受信局における受信アンテナ数の増加に伴い減少することが示された。
• CRS-NOMAのOMAに対する性能向上は、高SNRにおいて顕著であり、この領域ではNOMAの多重子利得が支配的になる。
• 導出された式は数値結果によって検証され、シミュレーションと良好に一致しており、NOMAがスペクトル効率および分岐利得の面で優れていることを確認している。