[論文レビュー] Performance Analysis of a Hybrid Downlink-Uplink Cooperative NOMA Scheme

Zhiqiang Wei, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、同時に協調リレーと干渉のない上行リンク伝送を可能にするハイブリッドダウンリンク・アップリンク協調NOMA（HDU-CNOMA）方式を提案する。この方式により、従来の協調NOMAおよび非協調NOMAよりも高いスペクトル効率を達成しつつ、弱いユーザーの信頼性にわずかなトレードオフをもたらす。

ABSTRACT

This paper proposes a novel hybrid downlinkuplink cooperative NOMA (HDU-CNOMA) scheme to achieve a better tradeoff between spectral efficiency and signal reception reliability than the conventional cooperative NOMA schemes. In particular, the proposed scheme enables the strong user to perform a cooperative transmission and an interference-free uplink transmission simultaneously during the cooperative phase, at the expense of a slightly decrease in signal reception reliability at the weak user. We analyze the outage probability, diversity order, and outage throughput of the proposed scheme. Simulation results not only confirm the accuracy of the developed analytical results, but also unveil the spectral efficiency gains achieved by the proposed scheme over a baseline cooperative NOMA scheme and a non-cooperative NOMA scheme.

研究の動機と目的

• 従来の協調NOMA（CNOMA）方式におけるスペクトル効率と信頼性のトレードオフを解決すること。
• 協調フェーズ中に冗長なダウンリンク伝送が原因で生じるCNOMAにおけるスペクトル効率の損失を是正すること。
• 強力ユーザーの側面情報を利用し、協調フェーズ中に追加の干渉のない上行リンク伝送を可能にすること。
• 停電確率、分散次数、停電スループットを分析してシステム性能を評価すること。
• 提案手法が弱いユーザーの信頼性に最小限の影響を及ぼしつつ、より高いシステム合計スループットを達成することを示すこと。

提案手法

• 強力ユーザーが同じ時間スロット内で協調リレーと上行リンク伝送の両方を実行するハイブリッドダウンリンク・アップリンク協調NOMA（HDU-CNOMA）方式を提案する。
• 基地局における強力ユーザーの復調済みメッセージ（側面情報）を活用し、協調フェーズ中の重ね合わせ信号における干渉をキャンセルする。
• 統計的チャネル状態情報とレイリー fading の仮定に基づき、停電確率および分散次数の閉形式表現を導出する。
• ガウス＝チェビシェフ積分を用いて停電確率を近似し、数値評価を実施する。
• 時分割双方向伝送（TDD）と半二重モード動作を想定し、独立した準静的レイリー fading チャネルをモデル化する。
• 停電スループットおよび信頼性指標に関して、提案手法を従来のCNOMAおよび非協調NOMAと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 協調フェーズ中に上行リンク伝送を統合することで、弱いユーザーの信頼性を著しく低下させることなく、NOMAシステムにおけるスペクトル効率を向上させることができるか？
• RQ2 従来のCNOMAと比較して、提案されたHDU-CNOMA方式は停電確率および分散次数にどのような影響を与えるか？
• RQ3 パワー割り当ておよびチャネル状態が、提案手法におけるシステム停電スループットに与える影響は何か？
• RQ4 強力ユーザーの側面情報を活用することで、協調フェーズにおける上行リンク伝送の信頼性はどの程度向上するか？
• RQ5 非協調NOMAおよび従来のCNOMAと比較して、提案手法はスペクトル効率と信号受信信頼性のトレードオフにおいて優れた性能を達成できるか？

主な発見

• 提案されたHDU-CNOMA方式は、特に中程度から高SNR領域において、従来のCNOMAおよび非協調NOMAよりも高い停電スループットを達成する。
• 停電確率の分析では、解析的結果とシミュレーション結果が良好に一致しており、導出された閉形式表現の正確性が裏付けられる。
• HDU-CNOMAにおける弱いユーザー（UE2）の停電確率は、従来のCNOMAと比較してわずかに高いが、これは協調フェーズにおけるパワー共有に起因する。しかし、この損失は全体的なシステム利得によって相殺される。
• 1/3ビット/秒/Hzを超えるレートにおいて、HDU-CNOMAの上行リンク停電確率の誤差床はCNOMAよりも低く抑えられている。これは、上行リンク伝送に2つのタイムスロット（t2およびt3）が利用可能であるためである。
• システムの分散次数は保持されており、これにより提案手法が深いフェージングに対して耐性を持つことが示された。
• スペクトル効率の向上は、協調フェーズ中に強力ユーザーからの干渉のない上行リンク伝送を可能にしたことによるものであり、これは従来のCNOMA方式では活用されていない。