[論文レビュー] Resource Allocation for Downlink NOMA Systems: Key Techniques and Open Issues

S. M. Riazul Islam, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 30, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 15被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、下行システムにおけるNOMAクラスタ間のスペクトルゲインを公平に分配するため、分割および次に大きな差分に基づくユーザペアリング（D-NLUPA）アルゴリズムを提案する。この手法は、ユーザペアリングとパワー割り当てを統合することで、スルーレットと公平性を向上させる。MIMO-NOMAがQoS制約下で、合計スルーレットおよびアウトージー性能においてMIMO-OMAを上回ることを示し、共同最適化、マルチセル干渉、セキュアリソース割り当てにおける主な未解決課題を特定する。

ABSTRACT

This article presents advances in resource allocation (RA) for downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) systems, focusing on user pairing (UP) and power allocation (PA) algorithms. The former pairs the users to obtain the high capacity gain by exploiting the channel gain difference between the users, while the later allocates power to users in each cluster to balance system throughput and user fairness. Additionally, the article introduces the concept of cluster fairness and proposes the divideand- next largest difference-based UP algorithm to distribute the capacity gain among the NOMA clusters in a controlled manner. Furthermore, performance comparison between multiple-input multiple-output NOMA (MIMO-NOMA) and MIMO-OMA is conducted when users have pre-defined quality of service. Simulation results are presented, which validate the advantages of NOMA over OMA. Finally, the article provides avenues for further research on RA for downlink NOMA.

研究の動機と目的

• NOMAクラスタ間におけるスペクトルゲイン分配の不均衡を是正するため、公平性を考慮したユーザペアリング戦略を導入すること。
• 事前に定義されたサービス品質（QoS）要件下で、MIMO-NOMAとMIMO-OMAの性能向上を評価すること。
• 下行NOMAシステムのリソース割り当て（RA）における未解決の研究的課題を特定および分析すること。
• スペクトル効率とユーザの公平性の両立を図る、低複雑性で公平性を制御可能なRAフレームワークを提案すること。

提案手法

• チャネルゲインの差を活用することで、NOMAクラスタ間における合計スルーレートゲイン分配を制御する、分割および次に大きな差分に基づくユーザペアリング（D-NLUPA）アルゴリズムを提案する。
• クラスタ公平性という指標を導入し、NOMAクラスタごとの容量ゲインを定量化・制御することで、性能のバランスを確保する。
• 基地局ではスーパーポジション・コーディングを、ユーザー側では逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、下行NOMA信号処理を実施する。
• 各ユーザーに固定されたQoS制約を課した条件下で、シミュレーションを用いてMIMO-NOMAとMIMO-OMAの性能を比較する。
• 限られたチャネルフィードバック、セル間干渉、キャリア結合といった実用的制約下でのRAを分析する。
• 効率性と公平性のバランスを1つのパrameter α で制御できる低複雑性の公平性モデルとして、α-公平性の利用を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 システムスルーレットを維持しつつ、NOMAクラスタ間でスペクトルゲインを公平に分配できるユーザペアリングはどのように設計できるか？
• RQ2 ユーザーに事前に定義されたQoS要件がある場合、MIMO-NOMAはMIMO-OMAに対してどの程度の性能向上を達成できるか？
• RQ3 MIMO-NOMAシステムにおけるユーザペアリングとパワー割り当てを共同最適化するにあたり、主な課題は何か？
• RQ4 ソフト周波数再利用（SFR）下で、公平性を維持するとともにセル間干渉を低減するため、NOMAシステムのリソース割り当てはどのように設計できるか？
• RQ5 5GネットワークにおけるNOMA向けに、低複雑性でセキュアかつQoSを保証するリソース割り当てスキームを設計するにあたり、未解決の問題は何か？

主な発見

• D-NLUPAアルゴリズムは、NOMAクラスタ間における合計スルーレートゲイン分配を効果的に制御し、クラスタ間で性能がバランスよく分配されることを実現した。
• シミュレーション結果から、最適なパワー割り当てが適用された場合、MIMO-NOMAがMIMO-OMAを有効合計スルーレートおよびアウトージー確率の両面で上回ることを確認した。
• ユーザペアリングとパワー割り当ての共同最適化は、特にMIMO-NOMAにおいて、プレケーディングおよび検出行列の複雑さから、依然として大きな課題である。
• パスロスに基づくユーザペアリング（例：NLUPA）の性能は、ビームフォーミングのランダマイゼーション効果によりMIMO-NOMAでは劣化するため、新たなペアリング戦略の必要性が示された。
• フルディプレックス（FD）マルチキャリア（MC）-MIMO-NOMAシステムにおけるリソース割り当ては極めて複雑であり、NP困難である。NOMAがOMAを上回る優位性を維持するためには、新規の低複雑性アルゴリズムの開発が不可欠である。
• NOMAとソフト周波数再利用（SFR）を統合すると公平性が低下する。これは、強い（セルセンター）ユーザーがプライマリバンドを支配し、干渉が増加してエッジユーザーのレートが低下するためである。