[論文レビュー] Optimal Joint Power and Subcarrier Allocation for MC-NOMA Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 18

ひとこと要約

本稿では、重み付きシステムスループットを最大化するために、単調最適化を用いてマルチキャリア非直交多重アクセス（MC-NOMA）システムの最適な同時送信パワーとサブキャリア割り当てアルゴリズムを提案する。逐次凸近似に基づく低複雑度の近似最適化手法は、ほぼ最適性能を達成し、高送信パワー下で、従来のMC-OMAに比べ最大56％のスペクトル効率向上を示している。

ABSTRACT

In this paper, we investigate the resource allocation algorithm design for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems. The proposed algorithm is obtained from the solution of a non-convex optimization problem for the maximization of the weighted system throughput. We employ monotonic optimization to develop the optimal joint power and subcarrier allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a performance benchmark due to its high complexity. Furthermore, to strike a balance between computational complexity and optimality, a suboptimal scheme with low computational complexity is proposed. Our simulation results reveal that the suboptimal algorithm achieves a close-to-optimal performance and MC-NOMA employing the proposed resource allocation algorithm provides a substantial system throughput improvement compared to conventional multicarrier orthogonal multiple access (MC-OMA).

研究の動機と目的

• MC-NOMAシステムにおける最適リソース割り当ての未解決問題に取り組む。これは、サブキャリアと送信パワーの非最適な割り当てによってスペクトル効率が制限されるためである。
• 重み付きシステムスループットを最大化する目的関数として、同時送信パワーとサブキャリア割り当て問題を非凸最適化問題として定式化する。
• 単調最適化を用いて最適解を導出し、計算複雑度が高いため性能ベンチマークとしての役割を果たす。
• 性能と計算可能性のバランスを取る低複雑度の近似最適化アルゴリズムを提案する。
• シミュレーションにより、最適リソース割り当てを施したMC-NOMAが、従来のMC-OMAおよび既存の近似最適化手法に比べ顕著に優れた性能を示すことを実証する。

提案手法

• 送信パワーとサブキャリア制約の下で、重み付きシステムスループットを最大化する目的関数として、非凸最適化問題としてリソース割り当て問題を定式化する。
• 非凸問題を解くために単調最適化を適用し、グローバルに最適な送信パワーとサブキャリア割り当て方針を導出する。
• 計算複雑度を低減するために、逐次凸近似を用いた近似最適化手法を提案し、ほぼ最適な性能を維持する。
• MC-NOMAシステムにおける共信道干渉を管理するために、ユーザー側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を採用する。
• 単一アンテナベースステーション、K人のユーザー、N_F個の直交サブキャリアを持つシステムモデルを採用し、各サブキャリアは最大2人のユーザーを同時にサービス可能とする。
• チャネル品質に基づいて同じサブキャリアにペアリングされるユーザーを設定するパワー領域多重戦略を採用し、チャネル状態が悪いユーザーに高い送信パワーを割り当てる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MC-NOMAシステムにおける、重み付きシステムスループットを最大化する最適な同時送信パワーとサブキャリア割り当て方針は何か？
• RQ2 既存の近似最適化手法と比較して、最適解のスペクトル効率およびシステムスループット性能はどの程度向上するか？
• RQ3 低複雑度の近似最適化アルゴリズムは、MC-NOMAシステムでほぼ最適な性能を達成できるか？
• RQ4 最適リソース割り当て下で、MC-NOMAは従来のMC-OMAに比べて、システムスループットでどの程度優れているか？
• RQ5 最適リソース割り当てを施したMC-NOMAにおいて、ユーザー数と送信パワーの増加に伴い、システムスループットはどのように変化するか？

主な発見

• 提案された最適アルゴリズムは、46 dBmの送信パワー下で、ベースライン手法2（ランダムユーザーペアリング）に比べ最大56％高い平均システムスループットを達成した。
• 近似最適化手法は、著しい計算複雑度の低減にもかかわらず、最適解の性能を非常に近く再現し、スループットの損失は最小限に抑えられた。
• 所望のスループットを達成するための条件では、提案手法はベースライン手法に比べ10 dB以上の送信パワー低減を実現しており、スペクトル効率の優位性を示している。
• 提案された最適および近似最適化手法の平均システムスループットは、ユーザー数の増加に伴い、ベースライン手法1および3よりも速やかに増加しており、マルチユーザーダイバーシティのより効果的な活用が要因である。
• ベースライン手法3（MC-OMA）は、サブキャリアの直交的割り当てによりスペクトル資源が不十分に利用されるため、MC-NOMAに比べ低いシステムスループットを達成した。
• 提案された最適アルゴリズムは、MC-NOMAシステムの全スペクトル効率の潜在能力を解き放つために、同時送信パワーとサブキャリア割り当ての最適化が極めて重要であることを示している。