[論文レビュー] Virtual User Pairing Non-Orthogonal Multiple Access in Downlink Coordinated Multipoint Transmission

Denny Kusuma Hendraningrat, Muhammad Basit Shahab+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 26, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、3セル下行リンクネットワークにおけるエゴスティック和容量（ESC）を向上させるために、共同送信協調マルチポイント（JT-CoMP）仮想ユーザペアリング非直交多重アクセス（VP-NOMA）方式を提案する。複数の基地局が同時にセルエッジユーザーを共同でサービスする一方で、パワー・ドメイン多重化により1人の近端ユーザーと複数の遠端ユーザーをペアリングすることで、O成形、NOMA、VP-NOMAに比べて優れたESCゲインを達成し、特に不完全なチャネル状態情報（CSI）および逐次干渉キャンセレーション（SIC）条件下でも顕著である。

ABSTRACT

In this paper, joint transmission coordinated multipoint (JT-CoMP) is exploited by using virtual user pairing non-orthogonal multiple access (VP-NOMA), termed as JT-CoMP VP-NOMA. The technique combines both VP-NOMA for enhancing ergodic sum capacity (ESC) and JT-CoMP for inter-cell interference mitigation. To show the performance gains, ESC of a three-cell scenario is analyzed as a key performance metric. The analytical and simulation results of JT-CoMP VP-NOMA are compared with orthogonal multiple access (OMA), non-orthogonal multiple access (NOMA), and VP-NOMA. It is shown that the proposed JT-CoMP VP-NOMA outperforms the other schemes in the viewpoint of ESC.

研究の動機と目的

• ユーザー分布の不均衡が生じるマルチセル環境下で、従来のNOMAおよびCoMP方式の性能制限を解決すること。
• 従来のCoMPが1人の遠端ユーザーのみをサポートする制約を克服し、複数のセルエッジユーザーに対して共同送信を可能にすること。
• 非対称なユーザペアリングを用いた3セルネットワークにおいて、スペクトル効率とエゴスティック和容量（ESC）を向上させること。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）および不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）がシステム性能に与える影響を分析すること。
• 実用的システム制約を反映するため、CSI推定誤差およびSIC不完全性を含む現実的なシステム劣化要因下で、ESCの閉形式解析的表現を導出すること。

提案手法

• 1つの近端ユーザーと1つの遠端ユーザーを各セルに有する3セル下行リンクネットワークモデルを導入し、遠端ユーザーはセルエッジに配置される。
• 非重複周波数帯域を用いて、各近端ユーザーをネットワーク全体の3つの遠端ユーザーと仮想ペアリングすることで、仮想ユーザペアリング（VP-NOMA）を実装する。
• すべての3基地局が同時に遠端ユーザーに送信できるように、共同送信協調マルチポイント（JT-CoMP）を適用し、信号対干渉加算ノイズ比（SINR）を向上させる。
• チャネル推定誤差項を導入し、事前に既知の分散を持つことで、実用的システム制約を反映する不完全なCSIおよびSICをモデル化する。
• 統計的チャネルモデルと指数積分関数（Ei）を用いて、パワー・ドメイン多重化および干渉キャンセレーションを組み込んだ、エゴスティック和容量（ESC）の閉形式表現を導出する。
• チャネル利得の数学的期待値および確率密度関数を用いて、サブキャリアごとの近端ユーザーおよび遠端ユーザーの正確なエゴスティックレートを計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 提案されたJT-CoMP VP-NOMA方式は、マルチセル環境下で従来のOMA、NOMA、VP-NOMAに比べ、エゴスティック和容量（ESC）をどのように向上させるか？
• RQ2 ユーザーの位置（例：近端ユーザーの送信基地局からの距離）は、JT-CoMP VP-NOMAの性能にどのような影響を及けるか？
• RQ3 近端ユーザーと遠端ユーザー間のパワー割り当てが、提案システムのESCに与える影響はいかほどか？
• RQ4 不完全なチャネル状態情報（CSI）および不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）は、JT-CoMP VP-NOMAのシステム性能をどの程度低下させるか？
• RQ5 CSI推定誤差やSIC不完全性といった現実的なシステム劣化要因下で、ESCの閉形式解析的表現を導出できるか？

主な発見

• 提案されたJT-CoMP VP-NOMA方式は、すべての信号対ノイズ比（SNR）レベルにおいて、OMA、NOMA、VP-NOMAに比べて顕著に高いエゴスティック和容量（ESC）を達成する。
• 近端ユーザーへのパワー割り当てを増加させるとESCが向上し、パワー・ドメイン多重化が最適化されたパワー分割によって恩恵を受けることが確認された。
• 近端ユーザーが送信基地局から離れる（すなわち、セルエッジに近づく）ほど性能が低下し、これは高い干渉およびチャネルフェージングによるものである。
• 近端ユーザーと遠端ユーザーの間隔が広がるほどESCが最適化されることが示され、ユーザー間の分離がスペクトル効率を向上させることを示している。
• 指数積分関数（Ei）を用いて導出した解析的ESC表現は、シミュレーション結果と非常に近似しており、閉形式解の正確性が検証された。
• 不完全なCSIおよびSIC下でも、本方式は優れた性能を維持しており、実用的展開制約に対して高いロバスト性を示している。