[論文レビュー] Relay Selection for Cooperative NOMA

Zhiguo Ding, Huaiyu Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、低レートユーザーの信頼性の高い伝送を保証するとともに、高レートユーザーのデータレートを最大化する協調非直交多重アクセス（NOMA）における2段階リレーセレクション（RS）戦略を提案する。この手法は、最小の outage 確率と最大の diversity gain を達成し、特に非対称なチャネル条件において、従来の max-min RS より優れた性能を示す。

ABSTRACT

This letter studies the impact of relay selection (RS) on the performance of cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA). In particular, a two-stage RS strategy is proposed, and analytical results are developed to demonstrate that this two-stage strategy can achieve the minimal outage probability among all possible RS schemes, and realize the maximal diversity gain. The provided simulation results show that cooperative NOMA with this two-stage RS scheme outperforms that with the conventional max-min approach, and can also yield a significant performance gain over orthogonal multiple access.

研究の動機と目的

• 協調NOMAシステムにおける従来のリレーセレクションの性能制限を、非対称なユーザーQoS要件の下で解消すること。
• 低レートユーザーの信頼性の高い伝送を保証するとともに、高レートユーザーのデータレートを最大化するリレーセレクション戦略を設計すること。
• 提案された2段階RS方式の outage 確率と diversity gain を解析的に特徴づけること。
• outage 確率と diversity gain の観点から、2段階RSと従来の max-min RS 戦略の性能を比較すること。

提案手法

• 2段階リレーセレクション戦略を提案：まず、低レートユーザー（ユーザー1）の目標レートを満たせるリレーを選択し、次にその中から高レートユーザー（ユーザー2）の実現可能レートを最大化するリレーを選択する。
• i.i.d. 指数分布確率変数の順序統計を用いて、2段階RS方式の outage 確率の閉形式表現を導出する。
• ユーザー1とユーザー2のそれぞれに対して、信号対インターーフェンス＋ノイズ比（SINR）と信号対ノイズ比（SNR）の式を用いて、デコード条件をモデル化する。
• ベンチマークとして、チャネルゲインの最小値を最大化するリレーを選択する max-min リレーセレクション基準を定義する（|h_n|², |g_n,1|², |g_n,2|²）。
• 順序統計と指数分布の性質を用いた解析的手法を用いて、outage 確率と diversity gain を導出する。
• シミュレーションを用いて解析結果を検証し、2段階RSと max-min RS、および直交多重アクセス（OMA）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2段階リレーセレクション戦略は、協調NOMAシステムにおいて、従来の max-min リレーセレクションよりも低い outage 確率を達成できるか？
• RQ2 2段階RS戦略は、非対称なユーザーQoS要件を有する協調NOMAで最大の diversity gain を達成するか？
• RQ3 max-min リレーセレクションが2段階RS戦略と同等に機能する条件は何か？
• RQ4 リレー数とチャネルの非対称性が増加する際、2つのRS戦略間の性能ギャップはどのように変化するか？
• RQ5 提案されたRS戦略を用いた協調NOMAは、outage 性能の観点から、直交多重アクセス（OMA）に比べてどの程度優れているか？

主な発見

• 2段階リレーセレクション戦略は、すべての可能なリレーセレクション方式の中で最小の outage 確率を達成し、outage 最適である。
• 2段階RSは最大の diversity gain を達成しており、導出された閉形式 outage 確率式によって裏付けられている。
• 一般に、max-min リレーセレクション基準は2段階方式よりも高い outage 確率を示すが、ξ₁ = ξ₂ の対称的な場合を除く。
• ξ₁ = ξ₂ の場合、2段階RSと max-min RS は同一の outage 性能を達成する。両者とも同じ最小チャネルゲイン選択に帰着するためである。
• シミュレーション結果は、2段階RSが非対称な設定において max-min RS より顕著に優れていることを確認しており、リレー数が増加するにつれて性能ギャップが拡大する。
• 2段階RSを用いた協調NOMAは、特に高SNR領域において、直交多重アクセス（OMA）に比べて顕著な outage 性能の向上を達成する。