[論文レビュー] Use of Non-Orthogonal Multiple Access in Dual-hop relaying

Wei Duan, Miaowen Wen+3 more|arXiv (Cornell University)|Apr 5, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 8被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、送信機とリレ一が最適化されたパワー分割を用いたスーパーポジション・コーディングを採用する二段階のパワー割り当て方式を、二ホップ非直交多重アクセス（NOMA）リレーシステムに提案する。受信機で最大比合成（MRC）を組み合わせ、高SNRにおける閉形式の確立的和スループット（SR）式を導出することにより、従来のNOMAリレーシステムに比べて顕著なSR向上を達成し、高SNRにおいて部分最適なパワー割り当てが最適性能に極めて近い結果をもたらす。

ABSTRACT

To improve the sum-rate (SR) of the dual-hop relay system, a novel two-stage power allocation scheme with non-orthogonal multiple access (NOMA) is proposed. In this scheme, after the reception of the superposition coded symbol with a power allocation from the source, the relay node forwards a new superposition coded symbol with another power allocation to the destination. By employing the maximum ratio combination (MRC), the destination jointly decodes the information symbols from the source and the relay. Assuming Rayleigh fading channels, closed-form solution of the ergodic SR at high signal-to-noise ratio (SNR) is derived and a practical power allocation is also designed for the proposed NOMA scheme. Through numerical results, it is shown that the performance of the proposed scheme is significantly improved compared with the existing work.

研究の動機と目的

• 劣悪な送信機から受信機間リンクに起因する二ホップ協調リレーシステム（CRS）における確立的和スループット（SR）の向上を目的とする。
• 従来のNOMAベースのCRSに見られる性能制限を克服するため、送信機およびリレ一における二段階パワー割り当て戦略を導入することを目的とする。
• 提案されたNOMA-CRS方式の高SNRにおける確立的和スループット（SR）の閉形式式を導出することを目的とする。
• 高SNRにおける最適性能に非常に近い実用的な部分最適パワー割り当て戦略の設計を目的とする。

提案手法

• 送信機は最初の時隙に、パワー割り当て係数 $a_1$ と $a_2$ を用いて、リレ一および受信機の両方にスーパーポジション・コーディング信号を送信する。
• リレ一は逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて両ユーザーの信号を復調し、2番目の時隙に、係数 $a_3$ と $a_4$ を用いた新たなスーパーポジション・コーディング信号を再符号化して送信する。
• 受信機は、送信機およびリレ一からの信号を最大比合成（MRC）を用いて結合し、両ユーザーの信号を同時に復調する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）を仮定し、Rayleigh fadingを想定して、高SNRにおける閉形式の確立的SR式を導出する。
• 確立的SR式の $a_1$ および $a_3$ に関する微分を解くことにより、部分最適な二段階パワー割り当て戦略を設計する。
• 理論的分析は、異なるチャネル利得設定下で20,000回のチャネル実現値を用いたモンテカルロシミュレーションにより検証される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたNOMAベースの二ホップリレーシステムにおける二段階パワー割り当ては、従来のCRS-NOMAに比べて確立的和スループットをどのように向上させるか？
• RQ2 提案されたNOMA-CRSの高SNRにおける確立的和スループットの閉形式式は何か？
• RQ3 提案された部分最適パワー割り当ての性能は、最適解にどの程度近いか、特に高SNRにおいては？
• RQ4 どのようなチャネル状態（例：$\alpha_{SR} > \alpha_{RD}$）において、提案された方式が最大の性能向上を示すか？

主な発見

• 提案方式は、[4]におけるCRS-NOMA方式に比べ、特に0–20 dB SNR範囲で顕著に高い確立的和スループットを達成する。
• 式(25)で導出された理論的確立的SR式は、シミュレーション結果と非常に良く一致しており、理論モデルの妥当性が裏付けられる。
• 式(27)および(28)から導出された部分最適パワー割り当て戦略は、高SNRにおいて最適解に非常に近い追従を示し、実用的有用性が確認される。
• $\alpha_{SR} > \alpha_{RD}$ の場合に性能向上が最も顕著であり、有利なリレーチャネル状態下で多様性ゲインが向上していることが示唆される。
• 高SNRにおいて、提案方式とCRS-NOMAの両方が同じ多様性ゲイン $\frac{1}{2}\log_2 \rho$ に収束することから、漸近的最適性が確認される。