[論文レビュー] Outage Balancing in Downlink Non-Orthogonal Multiple Access With Statistical Channel State Information

Sulong Shi, Longxiang Yang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 23被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、統計的チャネル状態情報（CSI）下でのダウンリンク非直交多重アクセス（NOMA）システムに対して、停電バランス型フレームワークを提案する。最大最小停電基準に基づき、停電確率の公平性を最大化するため、送信機で利用可能な統計的CSIのもとで、パワー割り当てとデコード順序を共同最適化する。閉形式の最適パワー割り当てを導出し、最適デコード順序を証明するとともに、逐次干渉キャンセレーション（SIC）の複雑さを低減するユーザグループ化の分析も実施し、周波数多重アクセス（OMA）と比較して顕著な性能向上を示す。

ABSTRACT

This paper considers a downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) system where the source intends to transmit independent information to the users at targeted data rates under statistical channel state information at the transmitter. The problem of outage balancing among the users is studied with the issues of power allocation, decoding order selection, and user grouping being taken into account. Specifically, with regard to the max-min fairness criterion, we derive the optimal power allocation in closed-form and prove the corresponding optimal decoding order for the elementary downlink NOMA system. By assigning a weighting factor for each user, the analytical results can be used to evaluate the outage performance of the downlink NOMA system under various fairness constraints. Further, we investigate the case with user grouping, in which each user group can be treated as an elementary downlink NOMA system. The associated problems of power and resource allocation among different user groups are solved. The implementation complexity issue of NOMA is also considered with focus on that caused by successive interference cancellation and user grouping. The complexity and performance tradeoff is analyzed by simulations, which provides fruitful insights for the practical application of NOMA. The simulation results substantiate our analysis and show considerable performance gain of NOMA when compared with orthogonal multiple access.

研究の動機と目的

• 送信機にのみ統計的CSIが利用可能な状況下で、ダウンリンクNOMAシステムにおける停電公平性の課題に対処すること。
• 最大最小公平性基準に基づき、停電確率をユーザー間でバランスさせるために、パワー割り当てとデコード順序を共同最適化すること。
• 最大最小公平性を超える柔軟な公平性制約をモデル化するための重み係数を導入すること。
• NOMAシステムにおける逐次干渉キャンセレーション（SIC）の複雑度を低減するためのユーザグループ化戦略を調査すること。
• 実用的NOMA展開における、システム性能と実装複雑度のトレードオフを分析すること。

提案手法

• ターゲットデータレートと統計的CSIを前提とした制約付き最適化問題として、停電バランス問題を定式化する。
• 最大最小公平性基準下での基本NOMAシステムにおける閉形式の最適パワー割り当てを導出する。
• 最適デコード順序が、有効チャネル利得が小さい順にユーザーを順序付けすることに相当することを証明し、停電バランスを保証する。
• 最大最小公平性を超える一般化された公平性制約を実現するため、各ユーザーごとに重み係数を導入する。
• ユーザグループ化を複数の独立したNOMAクラスタとしてモデル化し、それぞれを基本NOMAシステムとして扱う。
• ユーザグループ間でのパワーおよびリソース割り当てを最適化するとともに、その結果として生じる複雑度-性能トレードオフを分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 統計的CSIが唯一利用可能なダウンリンクNOMAにおいて、ユーザー間の停電確率をバランスさせる最適パワー割り当て方策は何か？
• RQ2 統計的CSI下でのNOMAにおいて、最大最小公平性を達成するためにデコード順序はどのように選択すべきか？
• RQ3 ユーザグループ化は、NOMAシステムにおける逐次干渉キャンセレーション（SIC）の複雑度をどのように低減できるか？
• RQ4 ユーザグループ化とパワー割り当て戦略を適用した場合のNOMAにおける性能-複雑度トレードオフは何か？
• RQ5 重み係数は、統計的CSI下でのNOMAの公平性と停電性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 本稿では、ユーザー間の最大停電確率を最小化する最適パワー割り当ての閉形式解を導出している。
• 最適デコード順序が、有効チャネル利得が小さい順にユーザーを順序付けすることに相当することが証明され、停電性能のバランスが保証される。
• 重み係数を導入した本フレームワークにより、ユーザーの停電確率間のトレードオフを可能とする柔軟な公平性制御が実現可能である。
• ユーザグループ化はSICの複雑度を顕著に低減する。SICの複雑度はグループサイズに線形に比例するためである。
• シミュレーションにより、NOMAがOMAよりも停電性能および公平性において優れていることが確認され、特に統計的CSI下で顕著な優位性を示す。
• 分析により、明確な性能-複雑度トレードオフが明らかとなり、ユーザグループ化が実用的NOMA展開に実現可能な道筋を提供することが示された。