[論文レビュー] Short-Packet Communications in Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Xiaofang Sun, Shihao Yan+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 21, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、短パケット通信における非直交多重アクセス（NOMA）を初めて導入し、遅延制約下で有効スルーレートを最大化するための伝送レートおよびパワー割り当てを最適化する。NOMAは特に両ユーザーのスルーレート目標が類似している場合に、直交多重アクセス（OMA）を著しく上回ることを示しており、有限ブロック長条件下でより低い遅延またはより高いスルーレートを実現可能である。

ABSTRACT

This work introduces, for the first time, non-orthogonal multiple access (NOMA) into short-packet communications to achieve low latency in wireless networks. Specifically, we address the optimization of transmission rates and power allocation to maximize the effective throughput of the user with a higher channel gain while guaranteeing the other user achieving a certain level of effective throughput. To demonstrate the benefits of NOMA, we analyze the performance of orthogonal multiple access (OMA) as a benchmark. Our examination shows that NOMA can significantly outperform OMA by achieving a higher effective throughput with the same latency or incurring a lower latency to achieve the same effective throughput targets. Surprisingly, we find that the performance gap between NOMA and OMA becomes more prominent when the effective throughput targets at the two users become closer to each other. This demonstrates that NOMA can significantly reduce the latency in the context of short-packet communications with practical constraints.

研究の動機と目的

• 5G機械間通信（MTC）における低遅延通信の重要なニーズに対処すること。具体的には、100ビット程度の短パケットが100 μs以内に送信される必要がある。
• 従来のシャノン容量の仮定が成り立たない有限ブロック長領域におけるNOMAの性能に関する研究ギャップを埋めること。この領域ではデコーディング誤り確率が無視できない。
• 2台の単一素子アンテナユーザーを対象としたダウンリンクNOMAシステムにおいて、強いユーザーの有効スルーレートを最大化すると同時に、弱いユーザーの最小有効スルーレートを保証するように、パワーおよびレート割り当てを最適化すること。
• 同じ制約下でNOMAの性能をOMAと比較し、有限ブロック長領域における遅延およびスルーレートの向上を定量すること。

提案手法

• 有限ブロック長チャネル符号化を用いた、単一素子アンテナベースステーションが2台の単一素子アンテナユーザーをサービスするダウンリンクNOMAシステムをモデル化する。
• 文献[4]に従い、デコーディング誤り確率を考慮した有効スルーレートを導出するための有限ブロック長チャネル容量式を適用する。
• チャネル利得が良好なユーザーにおいて、逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実行し、まず自身の信号をデコードした後、弱いユーザーの信号をデコードする。
• ユーザー1（強いチャネル）の有効スルーレートを最大化する制約付き最適化問題を用いて、伝送レートおよびパワー割り当てを最適化する。この際、ユーザー2の最小有効スルーレートを満たすことを保証する。
• Q関数および正規分布尾部確率を組み込んだ、伝送レートに関する関数としての有効スルーレートの解析的表現を導出する。
• 有効スルーレート関数が伝送レートに関して厳密に凹型であることを証明し、一意のグローバル最大値が存在することを保証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAは、有限ブロック長制約下でOMAと比較して短パケット通信においてどのように性能を発揮するか？
• RQ2 チャネル品質が優れたユーザーの有効スルーレートを最大化すると同時に、もう一方のユーザーに最小スルーレート要件を満たすために、NOMAシステムにおける最適なパワーおよびレート割り当て戦略は何か？
• RQ3 NOMAとOMAの性能向上の程度は、2ユーザーの相対的スルーレート目標に依存するか？
• RQ4 同じ遅延条件下でNOMAはOMAよりも高い有効スルーレートを達成できるか、あるいは同じスルーレートをより低い遅延で達成できるか？
• RQ5 短パケット伝送下で、デコーディング誤り確率はNOMAおよびOMAの両方の有効スルーレートにどのように影響を与えるか？

主な発見

• 弱いユーザーに同じ最小有効スルーレートを保証する条件下で、強いユーザーの有効スルーレートにおいてNOMAはOMAを著しく上回る。
• 両ユーザーの有効スルーレート目標が互いに近い場合、NOMAとOMAの性能差はさらに顕著になる。
• 同じ遅延制約下で、NOMAはOMAよりも高い有効スルーレートを達成でき、低遅延アプリケーションにおける優位性を示している。
• ユーザーの目標がバランスしている場合に特に、NOMAはOMAよりも低い遅延で同じ有効スルーレート目標を達成できる。
• 強いユーザーの最適伝送レートが解析的に導出されており、有効スルーレート関数が厳密に凹型であることが証明されており、一意のグローバル最大値が存在することが保証されている。