[論文レビュー] On User Pairing in NOMA Uplink

Mohammad Ali Sedaghat, Ralf R. Müller|arXiv (Cornell University)|Jul 6, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、チャネル状態情報を利用し、上行リンク非直交多重アクセス（NOMA）における最適および準最適なユーザー対応アルゴリズムを、単一アンテナおよび複数アンテナベースステーションを想定して提案する。解析的に、有限次元では最適対応がランダム対応を著しく上回ることを示し、大規模システムの極限では両者が収束することを示し、提案されたNOMA方式が既存の信号整合に基づく手法を上回ることを示している。

ABSTRACT

User pairing in Non-Orthogonal Multiple-Access (NOMA) uplink based on channel state information is investigated considering some predefined power allocation schemes. The base station divides the set of users into disjunct pairs and assigns the available resources to these pairs. The combinatorial problem of user pairing to achieve the maximum sum rate is analyzed in the large system limit for various scenarios, and some optimum and sub-optimum algorithms with a polynomial-time complexity are proposed. In the first scenario, $2M$ users and the base station have a single-antenna and communicate over $M$ subcarriers. The performance of optimum pairing is derived for $M ightarrow \infty$ and shown to be superior to random pairing and orthogonal multiple access techniques. In the second setting, a novel NOMA scheme for a multi-antenna base station and single carrier communication is proposed. In this case, the users need not be aware of the pairing strategy. Furthermore, the proposed NOMA scheme is generalized to multi-antenna users. It is shown that random and optimum user pairing perform similarly in the large system limit, but optimum pairing is significantly better in finite dimensions. It is shown that the proposed NOMA scheme outperforms a previously proposed NOMA scheme with signal alignment.

研究の動機と目的

• 最適ユーザー対応とランダム対応の間の性能向上を、解析的に評価すること。
• さまざまなシステム構成下で、低複雑性かつ多項式時間の最適および準最適ユーザー対応アルゴリズムを設計すること。
• ユーザーが対応戦略を把握していなくてもよい、新たな複数アンテナNOMA上行リンク方式を提案することにより、実用性を高めること。
• 提案されたNOMA方式を、既存の信号整合に基づくNOMAおよび周波数分割多重アクセス（OMA）技術と比較すること。
• 単一アンテナおよび複数アンテナの両状況において、大規模システムの極限（M→∞）における漸近的スルーレート性能を導出すること。

提案手法

• 本稿では、M個のサブキャリアと2M個の単一アンテナユーザーを想定し、M組の互いに排他的なユーザー対を形成し、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いたスルーレートを導出する。
• 大規模ランダム行列理論を用いて、M→∞の極限における漸近的スルーレートを分析し、有効チャネル行列の固有値分布のステルジウス変換を導出する。
• 複数アンテナベースステーションの場合、ユーザーが対応戦略を知らなくてもよいように、ビームフォーミングとプレフィルミングを用いた新たなNOMA方式を提案する。
• ユーザーのチャネル利得の順序に基づく準最適な対応アルゴリズムを含み、計算量はO(M²)である。また、組み合わせ最適化を用いた近似的に最適なアルゴリズムはO(M³)の計算量を要する。
• 性能は、極限におけるスルーレートの解析的導出と、ランダム対応およびOMAとの比較を通じて評価され、効用スルーレートを指標として用いる。
• 本稿では、有効チャネル行列Ωの漸近的固有値分布を導出し、i.i.d.フェージング下で確率的収束が成り立つことを示している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 有限次元システムにおいて、上行リンクNOMAの最適ユーザー対応はランダム対応に比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ2 サブキャリア数M→∞の極限において、上行リンクNOMAの最適ユーザー対応の漸近的スルーレート性能はどのようになるか？
• RQ3 低複雑性の準最適ユーザー対応アルゴリズムは、実用的システムで近似的に最適な性能を達成できるか？
• RQ4 提案された複数アンテナNOMA上行リンク方式は、既存の信号整合に基づくNOMAおよびOMAと比較して、スルーレートおよび公平性の観点でどの程度優れているか？
• RQ5 最適対応とランダム対応の性能差は、大規模システムの極限においても依然として顕著であるか、それとも消失するのか？

主な発見

• 有限次元システムでは、最適ユーザー対応がランダム対応よりも著しく高いスルーレートを達成する。特にユーザー数が少ない場合に性能向上が顕著である。
• 大規模システムの極限（M→∞）において、最適対応とランダム対応のスルーレート性能は収束するため、性能差が漸近的に消失することが示された。
• 提案された複数アンテナベースステーション用NOMA方式は、以前に提案された信号整合に基づくNOMA方式を上回る性能を示し、特に高SNR領域で顕著である。
• M→∞における最適対応の漸近的スルーレートは、解析的に導出され、チャネル行列固有値分布のステルジウス変換を含む閉形式の式として表される。
• 有効チャネル行列Ωの2つの非ゼロ固有値は、SNR γおよびパワー割り当て比αの関数として、同じ値に確率的に収束する。
• 導出された漸近的スルーレート式は、大規模システムの極限においても、最適対応を用いたNOMAがOMAよりも高いスルーレートを達成できることを確認している。