[論文レビュー] Optimizing Non-Orthogonal Multiple Access in Random Access Networks

Ziru Chen, Yong Liu+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ランダムアクセスネットワークにおけるネットワークスループットを最大化するために、非直交多重アクセス（NOMA）を組み込んだ最適化されたp-パーゼントスロットAlohaプロトコルを提案する。高パワーおよび低パワーのユーザーの送信確率をモデル化し、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用することで、NOMA復調に成功するための解析的条件を導出し、高/低パワーの送信確率を共同で最適化する反復的アルゴリズムを提案した。これにより、従来のAlohaと比較して顕著なスループット向上が達成された。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been considered as a promising solution for improving the spectrum efficiency of next-generation wireless networks. In this paper, the performance of a p-persistent slotted ALOHA system in support of NOMA transmissions is investigated. Specifically, wireless users can choose to use high or low power for data transmissions with certain probabilities. To achieve the maximum network throughput, an analytical framework is developed to analyze the successful transmission probability of NOMA and long term average throughput of users involved in the non-orthogonal transmissions. The feasible region of the maximum number of concurrent users using high and low power to ensure successful NOMA transmissions are quantified. Based on the analysis, an algorithm is proposed to find the optimal transmission probabilities for users to choose high and low power to achieve the maximum system throughput. In addition, the impact of power settings on the network performance is further investigated. Simulations are conducted to validate the analysis.

研究の動機と目的

• マシンタイプ通信（MTC）におけるスペクトル効率を最大化する課題に取り組むこと。この際、ランダムアクセスと限られたチャネル状態情報が前提となる。
• ユーザーが変動するパワーでチャネルにランダムにアクセスするp-パーゼントスロットAlohaシステムにおいて、NOMAの実現可能性を分析すること。
• SICを用いて成功裏にNOMA復調を実現するための、高パワーおよび低パワーユーザーの同時送信が可能な領域（可解領域）を導出すること。
• 長期間平均システムスループットを最大化するために、高パワーおよび低パワーモードの最適な送信確率を共同で決定する最適化アルゴリズムを開発すること。

提案手法

• ユーザーの分布、路損、 fading、およびパワー割り当てに基づいて、NOMAユーザーの成功送信確率を計算するための数学的モデルを構築する。
• SINRとSIC性能に基づいてユーザー固有のデータレートが決定されるのを反映し、長期平均スループットの解析的表現を導出する。
• 高パワーおよび低パワーユーザー数の範囲としての可解領域を定量化することで、NOMA送信が成功するための十分かつ必要条件を同定する。
• システムスループットを最大化するために、反復的に高パワーおよび低パワーユーザーの送信確率を最適化するアルゴリズムを提案する。
• ユーザーが高パワー（v₁）または低パワー（v₂）を選択し、それぞれ確率τ₁およびτ₂で送信するパワー制御戦略を用いる。これにより、干渉と信頼性のバランスを取る。
• MATLABを用いたモンテカルロシミュレーションにより、解析モデルの妥当性を検証し、NOMA対応Alohaと従来のAlohaを比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 p-パーゼントスロットAlohaシステムにおいて、SICを用いたNOMA復調に成功するための高パワーおよび低パワーユーザーの可解領域は何か？
• RQ2 高パワーおよび低パワーモードの送信確率τ₁およびτ₂は、長期平均システムスループットにどのように影響を与えるか？
• RQ3 ユーザー数やパワーレベルが変化する条件下で、システムスループットを最大化する最適なτ₁およびτ₂の共同設定は何か？
• RQ4 パワーレベル（v₁, v₂）およびSINR閾値の選択が、ランダムアクセスネットワークにおけるNOMAの性能に与える影響は何か？
• RQ5 NOMAを導入することで、NOMAなしの従来のp-パーゼントAlohaと比較して、スループットはどの程度向上するか？

主な発見

• 高パワーおよび低パワーユーザーの最適な送信確率τ₁およびτ₂は等しくない。スループットを最大化するためにはτ₁ > τ₂である必要があり、これは高パワーが復調の信頼性と多重接続利得を向上させるためである。
• 最大ネットワークスループットは特定のユーザー数mで達成され、競合の増加に伴いスループットはピークに達した後減少する。また、送信確率が低い場合にはピークが右にシフトする。
• 提案されたアルゴリズムは約10回の反復で最適解に収束し、それ以降はスループットの向上が著しく小さくなる。
• シミュレーションにより、NOMA対応Alohaが従来のAlohaよりも顕著に高いスループットを達成することが確認された。特に中程度のユーザー密度下で顕著な向上が見られた。
• NOMA送信の可解領域は境界を持つ。n₁=2の高パワーユーザーとn₂=5の低パワーユーザーの場合、両者とも復調可能であるが、n₂を10を超えて増加させると、低パワーユーザーの復調に失敗する。これは過剰な干渉によるものである。
• NOMAによるスループット向上は、ユーザーが距離の異なる範囲に分散している場合に顕著であり、干渉とデータレートのバランスを適切に制御するためのパワー制御が重要である。