[論文レビュー] On the Performance of NOMA-Based Cooperative Relaying Systems over Rician Fading Channels

Ruicheng Jiao, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、Rician fadingチャネルにおける非直交多重アクセス（NOMA）ベースの協調リレー系の性能を評価するための解析的フレームワークを提案する。Bessel関数の性質とテイラー展開を用いて、実現可能レートの正確な式を導出し、ガウス＝チェビシェフ積分に基づく近似手法を導入することで、正確かつ効率的なレート計算を可能にした。シミュレーションにより、モンテカルロ結果と良好に一致し、従来のリレー系と比較して優れた和レート性能を示したことが確認された。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is a promising technique for the fifth generation (5G) wireless communications. As users with good channel conditions can serve as relays to enhance the system performance by using successive interference cancellation (SIC), the integration of NOMA and cooperative relaying has recently attracted increasing interests. In this paper, a NOMA-based cooperative relaying system is studied, and an analytical framework is developed to evaluate its performance. Specifically, the performance of NOMA over Rician fading channels is studied, and the exact expression of the average achievable rate is derived. Moreover, we also propose an approximation method to calculate the achievable rate by using the Gauss-Chebyshev Integration. Numerical results confirm that our derived analytical results match well with the Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 5Gの実世界シナリオ（LOSおよびNLOS成分を併存）をよりよくモデル化するRician fadingチャネルにおけるNOMAベースの協調リレー系の性能を分析すること。
• Rician分布の確率密度関数（PDF）に含まれるBessel関数に起因する複雑さを克服し、このようなシステムにおける実現可能レートの正確な解析的式を導出すること。
• ガウス＝チェビシェフ積分を用いた近似手法を開発し、実現可能レートの計算を簡素化するとともに、高い正確性を維持すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的結果を検証し、和レート性能の観点からNOMAベースのシステムと従来の協調リレー系を比較すること。

提案手法

• Rician fadingチャネルにおけるNOMAベースのデコードアンドフォワード協調リレー系の弱いユーザーおよび強いユーザーの実現可能レートについて、Bessel関数のテイラー展開および不完全ガンマ関数の性質を用いて正確な式を導出する。
• 級数展開および特殊関数の恒等式を活用することで、Rician PDFを含む複雑な積分表現を数値評価に適した形に変換する。
• ガウス＝チェビシェフ積分に基づく近似手法を提案し、実現可能レート式の和級数を効率的に計算することで、高速収束性と数値的安定性を確保する。
• 2段階伝送モデルを採用する：第1スロットで送信局がリレーや受信局に重畳符号化信号をブロードキャストし、第2スロットでリレーが復調済み信号を受信局にフォワードする。
• 強いユーザーでは逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、両方の信号を復調することで、協調リレーとしての機能を果たす。
• モンテカルロシミュレーション（10^5回のチャネル実現）を用いて解析的結果を検証し、ガウス＝チェビシェフ積分の近似次数を100として実施した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 LOSおよびNLOS成分を併存させるRician fadingチャネルにおけるNOMAベースの協調リレー系の実現可能レートは、どのように振る舞うか？
• RQ2 Rician分布のBessel関数に起因する数学的複雑性を考慮すると、このようなシステムにおける平均実現可能レートの正確な解析的式は何か？
• RQ3 計算コストの高いシミュレーションに依存せずに、実現可能レートを効率的かつ正確に計算できる近似手法を開発できるか？
• RQ4 パワー割り当て係数 $ a_2 $ は個々のレートおよび和レートにどのように影響を及ぼすか？また、システムの和レートを最大化する最適な $ a_2 $ 値が存在するか？
• RQ5 NOMAベースの協調リレー系は、従来の直交的協調リレー系と比較して、和レート性能でどのように差をつけるか？

主な発見

• NOMAベースの協調リレー系における弱いユーザーおよび強いユーザーの実現可能レートを導出した解析的式は、モンテカルロシミュレーション結果と良好に一致し、解析モデルの正確性が裏付けられた。
• ガウス＝チェビシェフ積分に基づく近似手法により、実現可能レートの高速かつ正確な数値計算が可能となり、級数は急速に収束し、高い精度を維持した。
• NOMAベースのシステムの和レートは、パワー割り当て係数 $ a_2 $ が増加するにつれて一時的に増加し、その後減少する傾向を示し、和レートを最大化する最適な $ a_2 $ が存在することが示された。
• 従来の協調リレー系と比較して、NOMAベースの協調リレー系はより高い和レートを達成した。これは、従来のシステムが1スロットあたり1つの信号しか送信できないのに対し、NOMAベースのシステムが2つのユーザーを2つのスロットで同時にサポートできるためである。
• システムの性能はチャネル状態に敏感である：リレーから受信局および送信局からリレーへのリンクの平均電力利得（$ \Ω $）が高いほど、全体のレートが向上し、特に $ a_2 $ が最適化された場合に顕著に改善された。
• 結果から、特にLOS成分が強い状況をRician fadingでモデル化する際、NOMAベースのリレーが従来のリレーを上回るスペクトル効率を実現することが確認された。