[論文レビュー] Optimal Throughput Fairness Trade-offs for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access over Fading Channels

Hong Xing, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 4, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 20被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、瑞々しいチャネルにおけるスペクトル効率とユーザーの公平性のバランスを図るため、2ユーザー下り行いNOMAシステムにおける最適なパワー割当戦略を提案する。完全および部分的なチャネル状態情報（CSIT）の下でラグランジュ双対分解を用い、遅延耐性（エルゴディック合計スループット）および遅延制限（スループット）伝送の両方における最適リソース割当を導出。NOMAが公平性制約下でもOMAより合計スループットで優位であることを証明。

ABSTRACT

Recently, non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted considerable interest as one of the 5G-enabling techniques. However, users with better channel conditions in downlink communications intrinsically benefits from NOMA thanks to successive decoding, judicious designs are required to guarantee user fairness. In this paper, a two-user downlink NOMA system over fading channels is considered. For delay-tolerant transmission, the average sum-rate is maximized subject to both average and peak power constraints as well as a minimum average user rate constraint. The optimal resource allocation is obtained using Lagrangian dual decomposition under full channel state information at the transmitter (CSIT), while an effective power allocation policy under partial CSIT is also developed based on analytical results. In parallel, for delay-limited transmission, the sum of delay-limited throughput (DLT) is maximized subject to a maximum allowable user outage constraint under full CSIT, and the analysis for the sum of DLT is also performed under partial CSIT. Furthermore, an optimal orthogonal multiple access (OMA) scheme is also studied as a benchmark to prove the superiority of NOMA over OMA under full CSIT. Finally, the theoretical analysis is verified by simulations via different trade-offs for the average sum-rate (sum-DLT) versus the minimum (maximum) average user rate (outage) requirement.

研究の動機と目的

• 順次干渉キャンセレーションにより、より良いチャネル状態にあるユーザーが inherently 利益を受ける下り行いNOMAシステムにおけるユーザーの公平性を解決すること。
• 遅延耐性伝送のため、平均およびピークパワー制約に加え、最小平均ユーザー速率制約を満たすように、平均合計スループットを最大化すること。
• 遅延制限伝送のため、最大ユーザーアウトージュ制約下で、遅延制限スループットの合計を最大化すること。
• NOMAの優位性を検証するため、完全CSIT下での最適OMAベンチマークを確立すること。
• 解析的結果に基づき、部分CSIT下での効果的なパワー割当ポリシーの開発。

提案手法

• 完全CSIT下で、遅延耐性および遅延制限の両状況において最適パワー割当問題を解くためにラグランジュ双対分解を用いる。
• 強い双対性およびカーシュ＝クーン＝タッカー（KKT）条件を活用し、最適パワー割当の閉形式表現を導出する。
• 完全CSIT解からの解析的インサイトに基づき、部分CSIT下での効果的なパワー割当ポリシーを提案する。
• システムをレイリー faded および順次干渉キャンセレーションを有する2ユーザー下り行いNOMAフェージングチャネルとしてモデル化する。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）を用い、NOMAおよびOMAの両方のエルゴディック合計スループットおよびアウトージュ確率を分析する。
• 合計スループット（または合計DLS）と公平性指標（最小速率またはアウトージュ）のトレードオフに関する理論的分析とシミュレーションによる検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フェージングチャネル下で、2ユーザー下り行いNOMAシステムにおける最適パワー割当をどのように設計すれば、合計スループットを最大化すると同時に最小平均ユーザー速率を確保できるか？
• RQ2 公平性制約が課された状況で、NOMAのOMAに対する合計スループット向上はどの程度か？
• RQ3 公平性制約下のNOMAシステムにおいて、部分CSITは完全CSITと比較してシステム性能にどのように影響するか？
• RQ4 部分CSIT下で、公平性とスペクトル効率を維持する最適パワー割当ポリシーは何か？
• RQ5 NOMAシステムにおける合計スループットとユーザー公平性（最小速率）またはアウトージュ（遅延制限スループット）のトレードオフは、どのように振る舞うか？

主な発見

• 完全CSIT下での最適NOMAパワー割当は、同じ公平性制約下でOMAよりも高い合計スループットを達成し、NOMAの優位性を裏付ける。
• 遅延耐性伝送のための最適パワー割当は、ラグランジュ双対分解により導出され、平均およびピークパワー制約下で実行可能性と最適性が保証される。
• 遅延制限伝送のため、最大ユーザーアウトージュ制約下で遅延制限スループットの合計が最大化され、アウトージュ確率モデルを用いて解析的解が導出された。
• 部分CSIT下では、完全CSIT下の最適解に非常に近い性能を維持する効果的なパワー割当ポリシーが開発された。
• 理論的分析により、NOMAが公平性制約下でも合計スループットでOMAを上回ることを確認し、シミュレーション結果が合計スループットと最小ユーザー速率またはアウトージュ確率のトレードオフを検証した。
• NOMA下でのエルゴディックレートの区分的表現が、パワー割当がユーザー性能に与える影響を反映して導出された。