[論文レビュー] Optimal Joint Power and Subcarrier Allocation for Full-Duplex Multicarrier Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 9, 2016

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering被引用数 21

ひとこと要約

本稿では、全二重マルチキャリア非直交多重アクセス（FD-MC-NOMA）システムにおける重み付き和スループットを最大化するために、最適な同時送信電力およびサブキャリア割り当てアルゴリズムを提案する。単調最適化を用いることで、高いスペクトル効率と公平性を実現する近似的最適性能が得られ、従来の半二重準拠多重アクセス（HD-OMA）システムを著しく上回る性能を発揮する。

ABSTRACT

In this paper, we investigate resource allocation algorithm design for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems employing a full-duplex (FD) base station (BS) for serving multiple half-duplex (HD) downlink (DL) and uplink (UL) users simultaneously. The proposed algorithm is obtained from the solution of a non-convex optimization problem for the maximization of the weighted sum system throughput. We apply monotonic optimization to develop an optimal joint power and subcarrier allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a system performance benchmark due to its high computational complexity. Furthermore, a suboptimal iterative scheme based on successive convex approximation is proposed to strike a balance between computational complexity and optimality. Our simulation results reveal that the proposed suboptimal algorithm achieves a close-to-optimal performance. Besides, FD MC-NOMA systems employing the proposed resource allocation algorithms provide a substantial system throughput improvement compared to conventional HD multicarrier orthogonal multiple access (MC-OMA) systems and other baseline schemes. Also, our results unveil that the proposed FD MC-NOMA systems achieve a fairer resource allocation compared to traditional HD MC-OMA systems.

研究の動機と目的

• 従来の半二重マルチキャリア準拠多重アクセス（HD-MC-OMA）システムにおけるスペクトル資源の未利用を是正すること。
• 全二重（FD）ベースステーションを用いて上行リンクおよび下行リンクの同時伝送を可能にすることで、既存の非直交多重アクセス（NOMA）システムにおける部分最適なリソース割り当ての制限を克服すること。
• FD-MC-NOMAシステムにおける重み付き和システムスループットを最大化する最適な同時送信電力およびサブキャリア割り当てポリシーを設計すること。
• 高い計算複雑性にもかかわらず、グローバルに最適な解を提供することで、FD-MC-NOMAシステムの性能ベンチマークを確立すること。
• 性能と複雑性のバランスを図るため、逐次凸近似に基づく低複雑度の部分最適反復手法を提案すること。

提案手法

• FD-MC-NOMAシステムにおける同時送信電力およびサブキャリア割り当てを伴う重み付き和スループットを最大化する非凸最適化問題を定式化する。
• 単調最適化理論を適用して非凸問題を解き、グローバルに最適なリソース割り当てポリシーを導出する。
• ラグランジュ緩和を用いた双対問題の定式化を行い、弱双対性を活用して最適性条件を確立する。
• 双対変数における双対関数の単調性を活用して、最適条件下で双対ギャップがゼロであることを証明する。
• 計算複雑度を低減しつつ、近似的最適性能を維持できるように、逐次凸近似（SCA）に基づく部分最適反復アルゴリズムを提案する。
• 元の非凸問題の凸近似を繰り返し解くことで、実行可能性と収束性を保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適なFD-MC-NOMAシステムは、従来のHD-MC-OMAシステムに対して、最大でどの程度のスペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ2 FD-MC-NOMAシステムにおける同時送信電力およびサブキャリア割り当ては、システムの公平性とスループットにどのように影響を与えるか？
• RQ3 部分最適反復アルゴリズムは、著しく低い複雑度で最適解に非常に近い性能を達成できるか？
• RQ4 単調最適化は、FD-MC-NOMAにおける非凸リソース割り当て問題をどのように解くかに果たす役割を果たすか？
• RQ5 自己干渉および同周波数干渉の存在が、FD-MC-NOMAにおけるリソース割り当て設計にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 提案された最適リソース割り当てポリシーは、従来のHD-MC-OMAシステムおよび部分最適ベースライン手法と比較して、顕著なシステムスループット向上を達成する。
• 逐次凸近似に基づく部分最適反復手法は、最適解に非常に近い性能を達成しており、実用的な代替手段として有効である。
• 提案されたアルゴリズムを用いたFD-MC-NOMAシステムは、従来のHD-MC-OMAシステムと比較して、より公平なリソース割り当てを実現する。
• 最適解は単調最適化を用いて導出されており、問題の非凸性にもかかわらず、グローバル最適性が保証される。
• 最適解下で双対ギャップがゼロであることが証明され、双対ベースのアプローチの有効性が裏付けられる。
• シミュレーション結果から、提案されたFD-MC-NOMAシステムが、マルチユーザーダイバーシティと全二重動作の両方を活用することで、スペクトル効率を顕著に向上させることを確認した。