[論文レビュー] Optimal Resource Allocation for Power-Efficient MC-NOMA with Imperfect Channel State Information

Zhiqiang Wei, Derrick Wing Kwan Ng+2 more|arXiv (Cornell University)|May 16, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、送信機における不完全なチャネル状態情報（CSIT）下での、パワー効率の良いマルチキャリア非直交多重アクセス（MC-NOMA）システムの最適および準最適なリソース割り当てフレームワークを提案する。送信機における不完全なCSITを考慮した非凸最適化問題を定式化し、総送信パワーを最小化するためのパワー割り当て、ユーザースケジューリング、レート制御、逐次干渉キャンセレーション（SIC）復調方針を統合的に最適化する。グローバル最適性を達成するためのブランチアンドバウンド法と、低複雑性の準最適性能を実現する差分凸プログラミング（DCP）に基づく反復アルゴリズムを用い、従来のOMA方式と比較して近似的に最適なパワー節約効果を示す。

ABSTRACT

In this paper, we study power-efficient resource allocation for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems. The resource allocation algorithm design is formulated as a non-convex optimization problem which jointly designs the power allocation, rate allocation, user scheduling, and successive interference cancellation (SIC) decoding policy for minimizing the total transmit power. The proposed framework takes into account the imperfection of channel state information at transmitter (CSIT) and quality of service (QoS) requirements of users. To facilitate the design of optimal SIC decoding policy on each subcarrier, we define a channel-to-noise ratio outage threshold. Subsequently, the considered non-convex optimization problem is recast as a generalized linear multiplicative programming problem, for which a globally optimal solution is obtained via employing the branch-and-bound approach. The optimal resource allocation policy serves as a system performance benchmark due to its high computational complexity. To strike a balance between system performance and computational complexity, we propose a suboptimal iterative resource allocation algorithm based on difference of convex programming. Simulation results demonstrate that the suboptimal scheme achieves a close-to-optimal performance. Also, both proposed schemes provide significant transmit power savings than that of conventional orthogonal multiple access (OMA) schemes.

研究の動機と目的

• 送信機における不完全なチャネル状態情報（CSIT）下でのマルチキャリアNOMA（MC-NOMA）システムにおけるパワー効率の良いリソース割り当ての課題に対処すること。
• ユーザーサービス品質（QoS）要件を満たしながら、総送信パワーを最小化するため、パワー割り当て、ユーザースケジューリング、レート割り当て、SIC復調方針を統合的に最適化すること。
• 不完全なCSITに起因する非凸最適化問題に対して、ブランチアンドバウンド法を用いてグローバル最適解を達成すること。
• 差分凸プログラミング（DCP）に基づく反復的アルゴリズムを提案し、性能と計算コストのバランスを取った低複雑性の準最適解を実現すること。
• 不完全なCSIT下でのMC-NOMAシステムのパフォーマンスベンチマークを確立し、従来の直交多重アクセス（OMA）方式と比較して顕著なパワー節約効果を示すこと。

提案手法

• QoS制約およびCSITの不完全性を考慮した総送信パワーを最小化する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。
• 各サブキャリアにおける最適なSIC復調方針設計を可能にするために、信号対雑音比（CNR）アウトージュ閾値を導入する。
• 非凸問題を一般化された線形乗法的プログラミング問題に再定式化し、ブランチアンドバウンド法を用いてグローバル最適化を可能にする。
• 差分凸プログラミング（DCP）に基づく反復的アルゴリズムを提案し、計算複雑性を低減しながらも近似的に最適な性能を維持する。
• 4つの異なるSIC復調順序について、総送信パワーの閉形式表現を導出することで、パワーを最小化する最適な順序を同定する。
• 緩和問題と元の問題との間の等価性をマッピング関数を用いて確立し、準最適解が妥当性と近似的最適性を保つことを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なCSIT下でのMC-NOMAシステムにおいて、総送信パワーを最小化するための最適なパワー割り当て、ユーザースケジューリング、レート割り当て、SIC復調方針は何か？
• RQ2 不完全なCSITの存在は、MC-NOMAリソース割り当ての妥当性とパフォーマンスにどのように影響を及ぼすか？（完璧なCSITと比較して）
• RQ3 不完全なCSIT下での非凸MC-NOMAリソース割り当て問題に対して、グローバル最適解を達成できるか？その計算複雑度はいかほどか？
• RQ4 差分凸プログラミング（DCP）に基づく反復的準最適アルゴリズムの性能と複雑度のトレードオフは、最適解と比較してどの程度か？
• RQ5 提案された手法は、従来の直交多重アクセス（OMA）方式と比較して、どの程度送信パワーを削減できるか？

主な発見

• 最適なSIC復調順序は、CNRアウトージュ閾値がより高いユーザを最初に復調するものであり、これにより総送信パワーが最小化される。
• 一般化された線形乗法的プログラミング問題に再定式化した上で、ブランチアンドバウンド法を適用することでグローバル最適解が得られる。
• 差分凸プログラミング（DCP）に基づく反復的準最適アルゴリズムは、著しく低い計算複雑性で最適解に非常に近い性能を達成する。
• 最適リソース割り当て方針は、従来のOMA方式と比較して顕著な送信パワー節約を実現し、不完全なCSIT下でもMC-NOMAの優位性を示している。
• 理論的分析により、DCPによる準最適解が緩和変数から離散変数へのマッピングを保つことにより、妥当性と近似的最適性を維持することが確認された。
• 異なるSIC順序に対する閉形式のパワー式の分析により、ケースI（最適順序）が最小の総送信パワーを達成することが確認され、両ユーザーのCNRアウトージュ閾値が等しい場合、$ p^{ ext{total}}_{ ext{II}} = p^{ ext{total}}_{ ext{I}} $ が成り立つ。