[論文レビュー] On Clustering and Channel Disparity in Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA)

Konpal Shaukat Ali, Mohamed‐Slim Alouini+2 more|arXiv (Cornell University)|May 7, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、非直交多重アクセス（NOMA）におけるクラスタリングとチャネル不均衡の影響を調査し、低チャネル不均衡または類似したパワー割り当てがNOMA性能を損なうという一般的な誤解に挑戦する。数値解析を用いて、低チャネル不均衡を示すユーザーのクラスタリングおよびバランスの取れたパワー割り当てが、特にQoS制約下で有益であることを示し、チャネル不均衡が下行NOMAシステムにおけるパワー割り当て効率とシステム性能に顕著な影響を及ぼすことを明らかにする。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) allows multiple users to share a time-frequency resource block by using different power levels. An important challenge associated with NOMA is the selection of users that share a resource block. This is referred to as clustering, which generally exploits the channel disparity (i.e. distinctness) among the users. We discuss clustering and the related resource allocation challenges (e.g. power allocation) associated with NOMA and highlight open problems that require further investigation. We review the related literature on exploiting channel disparity for clustering and resource allocation. There have been several misconceptions regarding NOMA clustering including: 1) clustering users with low channel disparity is detrimental, 2) similar power allocation is disastrous for NOMA. We clarify such misunderstandings with numerical examples.

研究の動機と目的

• NOMAにおけるユーザークラスタリングの重要な課題、特にチャネル不均衡がシステム性能とリソース割り当てに与える影響を解決すること。
• 文献において広く見られる、低チャネル不均衡および類似したパワー割り当てがNOMA性能に与える影響に関する誤解を解消すること。
• 品質保証（QoS）制約下におけるチャネル不均衡がパワー割り当てとユーザー速率供給に与える影響を分析すること。
• 同セル干渉がチャネル不均衡を低減する役割を果たし、NOMAシステム設計に与える影響を調査すること。
• 特にIoTおよびURLLCアプリケーションにおいて、高チャネル不均衡下でもNOMAが効果的に機能する条件を探索すること。

提案手法

• ユーザー設備での逐次干渉キャンセレーション（SIC）とパワー領域多重を用いた2ユーザー下行NOMAシステムを定式化する。
• パワーバジェットと個々のQoS制約の下での和速率最大化問題を用いて、さまざまなチャネル不均衡における性能を評価する。
• QoS目標を維持したままチャネル不均衡を変化させることでパワー割り当てのダイナミクスを分析し、強いユーザーおよび弱いユーザーに必要なパワーの変化を示す。
• 同セル干渉の有無を比較することで、それがチャネル不均衡とパワー割り当ての公平性に与える影響を評価する。
• 数値シミュレーションを用いて、さまざまなQoS目標下におけるチャネル不均衡、必要送信パワー、およびユーザー速率との関係を図示する。
• QoSが柔軟で十分なパワー資源が利用可能な場合に、高チャネル不均衡のユーザーをクラスタリングする可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 低チャネル不均衡のユーザーをクラスタリングすると、一般的に信じられているようにNOMA性能が劣化するのか？
• RQ2 NOMAにおける類似したパワー割り当ては、本質的にシステム性能を損なうのか？
• RQ3 QoS制約下でチャネル不均衡が増加すると、強いユーザーと弱いユーザーに必要なパワーにどのように影響するか？
• RQ4 同セル干渉がどれほどチャネル不均衡を低減させ、NOMAリソース割り当てに与える影響は何か？
• RQ5 QoS目標が柔軟で十分なパワーが利用可能な状況下で、NOMAが高チャネル不均衡ユーザーを効果的に支援できる条件は何か、特にIoTおよびURLLCシナリオにおいて。

主な発見

• 低チャネル不均衡のユーザーをクラスタリングすることは悪影響を及ぼさない。むしろ、性能向上やユーザー多重化に向けたシステムパワーをより多く保持できる。
• NOMAにおける類似したパワー割り当ては性能を劣化させない。特に同セル干渉を考慮した場合、QoS制約下で最適となる可能性がある。
• チャネル不均衡が増加するにつれて、強いユーザーに必要なパワーはフェージング条件の改善により減少するが、弱いユーザーに必要なパワーは持続的なパスロス制限のため増加する。
• すべてのチャネル不均衡において両ユーザーに同じQoSを達成できるが、低不均衡では性能向上やネットワークスケーラビリティに向けた余剰パワーが残る。
• 同セル干渉は、ユーザー間の有効なチャネル不均衡を低減させ、パワー割り当てをよりバランスよくし、不均衡なパワーレベルによる性能劣化リスクを軽減する。
• QoS目標が柔軟で十分なパワーが利用可能な場合、NOMAは高不均衡ユーザーに対しても有効であり、多様なIoTおよびURLLCデバイスの効率的支援が可能となる。