[論文レビュー] A Novel Network NOMA Scheme for Downlink Coordinated Three-Point Systems

Yanshi Sun, Zhiguo Ding+2 more|arXiv (Cornell University)|Aug 22, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、ランダムに配置されたユーザーを想定した下りリンク協調3ポイント（CoMP）システムにおける、新規なネットワーク非直交多重アクセス（N-NOMA）方式を提案する。スーパーポジション・コーディング（SC）と分散アナログビームフォーミングを組み合わせることで、スペクトル効率を向上させるとともに、セルエッジユーザーのサービス品質（QoS）を改善し、解析的近似とシミュレーションを通じて、著しい outage 性能の向上を達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose a network non-orthogonal multiple access (N-NOMA) technique for the downlink coordinated multipoint (CoMP) communication scenario of a cellular network, with randomly deployed users. In the considered N-NOMA scheme, superposition coding (SC) is employed to serve cell-edge users as well as users close to base stations (BSs) simultaneously, and distributed analog beamforming by the BSs to meet the cell-edge user's quality of service (QoS) requirements. The combination of SC and distributed analog beamforming significantly complicates the expressions for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at the reveiver, which makes the performance analysis particularly challenging. However, by using rational approximations, insightful analytical results are obtained in order to characterize the outage performance of the considered N-NOMA scheme. Computer simulation results are provided to show the superior performance of the proposed scheme as well as to demonstrate the accuracy of the analytical results.

研究の動機と目的

• 従来の直交多重アクセス（OMA）を用いた CoMP システムにおけるスペクトル効率の制限を是正すること。特に、セルエッジユーザーがリソースブロックを独占する問題を解決すること。
• スペクトル効率を犠牲にせずに、CoMP システムにおけるセルエッジユーザーのサービス品質（QoS）を向上させること。
• 3基の基地局（BS）を有する CoMP 環境において、スーパーポジション・コーディング（SC）と分散アナログビームフォーミングを統合した新規な N-NOMA 方式の性能解析フレームワークを構築すること。
• SC とビームフォーミングの併用によって生じる複雑さを考慮しながら、提案方式の解析的 outage 確率式を導出すること。
• コンピュータシミュレーションを用いて解析結果を検証し、従来手法に比べて提案方式の優位性を示すこと。

提案手法

• 提案される N-NOMA 方式では、基地局（BS）でスーパーポジション・コーディング（SC）を用い、チャネル状態に応じた異なる電力レベルを割り当てることで、同時にセルエッジユーザーとニアユーザーをサービス提供する。
• 3基の BS 間で分散アナログビームフォーミングを実装し、セルエッジユーザーの信号強度と信頼性を向上させる。これは、CSI の即時交換を不要とすることでフィードバックオーバーヘッドを低減する。
• ユーザーの位置をポアソン点過程（PPP）としてモデル化し、セルエッジユーザーは BS からランダムな距離に配置され、ニアユーザーは BS に近接して配置される。
• パスロス、他のユーザーからのインタリーフェンス、およびビームフォーミング利得を考慮した信号対インタリーフェンス加法性ノイズ比（SINR）式を導出し、複雑な outage 確率式を導出する。
• 解析的式の簡略化のため、有理近似とテイラー級数展開を適用し、性能評価を容易にする。
• 干渉がランダムに配置されたユーザーに起因する状況を扱うために、確率的幾何学的手法（キャンベルの定理および一般化されたガンマ関数）を用いて outage 確率を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3基の BS を有する CoMP システムにおいて、ランダムに配置されたユーザーを想定した場合、スーパーポジション・コーディング（SC）と分散アナログビームフォーミングの統合が、どのように outage 性能を向上させるか？
• RQ2 SC と分散ビームフォーミングの両方の影響を受ける状況下で、提案 N-NOMA 方式の outage 確率の解析的式は何か？
• RQ3 スペクトル効率とユーザーの公平性という観点から、従来の OMA を用いた CoMP に比べ、提案方式はどのように優れているか？
• RQ4 ユーザーの配置状態とパスロスの影響は、提案 N-NOMA 方式の性能にどのように作用するか？
• RQ5 実際のシステム条件下で、解析的近似は実際の outage 性能をどれほど正確に予測できるか？

主な発見

• 提案 N-NOMA 方式は、特に高干渉環境下で、従来の OMA を用いた CoMP に比べ、セルエッジユーザーの outage 確率を顕著に低減する。
• 有理近似と確率的幾何学的手法を用いて導出された解析的 outage 確率式は、シミュレーション結果と強く一致しており、解析の正確性が裏付けられる。
• 分散アナログビームフォーミングの導入により、BS 間での瞬時 CSI 交換が不要となり、フィードバックオーバーヘッドが削減される一方で、セルエッジユーザーの性能向上は維持される。
• 次の式によって、性能向上が定量的に評価されている：$ P_1 \text{approx} \approx 1 - \frac{2\rho^{\frac{2}{\alpha}}M_1\gamma(\frac{2}{\alpha},\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho}) - \frac{4\beta_1^2M_1\rho^{\frac{2}{\alpha}+1}}{l^{\alpha}}\gamma(\frac{2}{\alpha}+1,\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho})}{\alpha M_1^{\frac{2}{\alpha}+1}R_1^2} $。この式は、電力割り当てとビームフォーミングの両方の影響を包括的に捉えている。
• シミュレーション結果は、提案方式がスペクトル効率を向上させるとともに、セルエッジユーザーの QoS を劣化させることなく、リソースブロックあたりのユーザー数を増加できることを確認した。