[論文レビュー] Energy-Efficient Transmission Design in Non-Orthogonal Multiple Access

Yi Zhang, Hui‐Ming Wang+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 8, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 3被引用数 10

ひとこと要約

本稿は、個々のユーザーのデータレート制約を満たす条件下で、合計消費電力当たりのスペクトル効率を最大化する、非直交多重アクセス（NOMA）におけるエネルギー効率の高い電力割り当て戦略を提案する。非凸な分数プログラミング問題を2つの部分問題に分解し、閉形式の式と二分探索を用いて解くことで、NOMAが特にユーザー間のチャネル状態に差がある場合に、従来の直交多重アクセス（OMA）よりも顕著に高いエネルギー効率を達成することを示している。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is considered as a promising technology for improving the spectral efficiency (SE) in 5G. In this correspondence, we study the benefit of NOMA in enhancing energy efficiency (EE) for a multi-user downlink transmission, where the EE is defined as the ratio of the achievable sum rate of the users to the total power consumption. Our goal is to maximize the EE subject to a minimum required data rate for each user, which leads to a non-convex fractional programming problem. To solve it, we first establish the feasible range of the transmitting power that is able to support each user's data rate requirement. Then, we propose an EE-optimal power allocation strategy that maximizes the EE. Our numerical results show that NOMA has superior EE performance in comparison with conventional orthogonal multiple access (OMA).

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおける増加するエネルギー消費を低減するため、NOMAシステムにおけるエネルギー効率（EE）最適化を目的とする。
• マルチユーザー下行リンクNOMAシステムにおいて、合計スルーレートと合計消費電力の比（EE）を最大化する。
• 最小データレート制約を通じて、個々のユーザーのサービス品質（QoS）要件を満たす。
• 実用的な電力制約およびレート制約下で発生するEE最大化の非凸な分数プログラミング問題を解く。
• NOMAが多様なユーザー配置において、エネルギー効率の面で従来のOMAを上回ることを示す。

提案手法

• EE最大化問題を非凸な分数プログラミングとして定式化し、EEを合計スルーレートを合計電力（送信電力＋回路電力）で割ったものとして定義する。
• 電力割り当て係数に関する制約を用いて、各ユーザーの最小レート要件を満たす電力範囲を導出する。
• 主問題を2つの逐次的サブプロブレムに分解する：複数変数の非凸最適化問題（閉形式で解ける）と、単一変数の擬凹最適化問題（二分探索法で解ける）。
• ユーザー側では逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、基地局に瞬時的なCSIが完全に利用可能であると仮定する。
• 最適性の証明と電力割り当て係数の閉形式表現の導出に、Karush-Kuhn-Tucker（KKT）条件を適用する。
• 数学的帰納法を用いて、最適電力割り当てが合計電力パラメータに関して単調増加であることを証明する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 個々のレート制約を満たすマルチユーザー下行リンクNOMAシステムにおいて、NOMAは従来のOMAよりも高いエネルギー効率を達成できるか？
• RQ2 実用的制約下で、EE最大化のための非凸な分数プログラミング問題を効果的に分解・解く方法は何か？
• RQ3 ユーザーの位置とチャネル利得分布の影響は、NOMAシステムにおける達成可能なエネルギー効率にどのように現れるか？
• RQ4 最適電力割り当て戦略は、最小要求データレートとチャネル状態にどのように依存するか？
• RQ5 最も強いチャネル利得を持つユーザーが、システム全体のエネルギー効率を決定づける役割を果たすか？

主な発見

• NOMAは、特にユーザーが基地局から異なる距離に位置する場合、OMAよりも顕著に高いエネルギー効率を達成する。
• 最も強いチャネル利得を持つユーザー（基地局に最も近いユーザー）が、システム全体のエネルギー効率を支配する。これは、より効率的な電力使用を可能にするためである。
• ケース2（1名のユーザーが近距離、2名が遠距離）は、平均距離が類似しているにもかかわらず、ケース3（全ユーザーが平均的に同じ距離）を上回る性能を示す。これは、最も強いチャネルの影響を裏付ける。
• 提案されたアルゴリズムは、2つのサブプロブレムを解くことで効率的に収束する：最初のK₀ユーザーに対して閉形式解を適用し、残りの電力割り当てには二分探索を用いる。
• 最適電力割り当て係数は、合計電力パラメータに関して厳密に増加するため、収束が単調かつ安定的である。
• 数値結果により、NOMAは高路損およびフェージング環境を含む、すべてのテストシナリオにおいて優れたEE性能を維持することが確認された。