[論文レビュー] Cognitive Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Relaying: A New Wireless Frontier for 5G Spectrum Sharing

Lu Lv, Jian Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 12, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 14被引用数 21

ひとこと要約

本稿は、5Gにおけるスペクトル効率と信頼性を向上させるために、認知無線の原則とNOMA、協調リレーリングを統合した認知的非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークを提案する。3つのアーキテクチャ（アンダーレイ、オーバーレイ、CRにインspiredされたNOMA）を導入し、すべての構成において協調リレーリングがアウトージ確率を顕著に低減することが示された。これにより、干渉制限環境下での公平性と信頼性が向上する。

ABSTRACT

Two emerging technologies towards 5G wireless networks, namely non-orthogonal multiple access (NOMA) and cognitive radio (CR), will provide more efficient utilization of wireless spectrum in the future. In this article, we investigate the integration of NOMA with CR into a holistic system, namely cognitive NOMA network, for more intelligent spectrum sharing. Design principles of cognitive NOMA networks are perfectly aligned to functionality requirements of 5G wireless networks, such as high spectrum efficiency, massive connectivity, low latency, and better fairness. Three different cognitive NOMA architectures are presented, including underlay NOMA networks, overlay NOMA networks, and CR-inspired NOMA networks. To address inter- and intra-network interference which largely degrade the performance of cognitive NOMA networks, cooperative relaying strategies are proposed. For each cognitive NOMA architecture, our proposed cooperative relaying strategy shows its potential to significantly lower outage probabilities. Furthermore, we discuss open challenges and future research directions on implementation of cognitive NOMA networks.

研究の動機と目的

• NOMAと認知無線（CR）技術を統合することで、スペクトル共有5Gネットワークにおける深刻な干渉の課題に対処する。
• 高いスペクトル効率、マス・コネクティビティ、低遅延、および改善された公平性を実現する認知的NOMAアーキテクチャを設計する。
• 協調リレーリング戦略を用いて認知的NOMAにおけるネットワーク間およびネットワーク内干渉を低減し、受信信頼性を向上させる。
• 認知的NOMAネットワークの実用的展開に向けた未解決の課題と今後の研究方向性を特定する。

提案手法

• アンダーレイNOMA（SUsがPUsと同時に送信し、送信功率制約下で動作）、オーバーレイNOMA（SUsがPUsとパワー領域多重を用いて送信）、CRにインスパイアされたNOMA（SUsがセンシングと協調に基づき、機会的にスペクトルにアクセス）の3つの認知的NOMAアーキテクチャを提案する。
• 各アーキテクチャに協調リレーリング戦略を導入し、ネットワーク間およびネットワーク内干渉を低減し、信号検出性を向上させ、アウトージ確率を低減する。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を採用し、意図する信号を復調しつつ、他の信号を干渉とみなすことで、ダウンリンクおよびアップリンクNOMAにおけるパワー領域多重を実現する。
• アウトージ確率を主な指標として性能を分析し、リレーデプロイメントとユーザーペアリングのネットワーク信頼性への影響を評価する。
• 高度な技術として、共同受信・送信ビームフォーミング、リレー選択、物理層セキュリティを活用し、性能と耐障害性を向上させる。
• フルデュプレックスリレーとMIMOの統合を検討し、さらにスペクトル効率とシステム容量を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAと認知無線をどのように統合的に設計することで、5Gネットワークにおけるスペクトル効率の最大化とマス・コネクティビティの実現が可能になるか？
• RQ2 干渉制限環境下におけるアンダーレイ、オーバーレイ、CRにインスパイアされたNOMAアーキテクチャの性能限界は何か？
• RQ3 協調リレーリングは、ネットワーク間およびネットワーク内干渉を管理しながら、認知的NOMAネットワークにおけるアウトージ確率をどのように低減するか？
• RQ4 複数のSUsとPUsを有する認知的NOMAにおいて、ユーザーペアリング、パワー割り当て、リレー選択の主な課題は何か？
• RQ5 物理層セキュリティとフルデュプレックスリレーリングを認知的NOMAに統合することで、信頼性を向上させ、盗聴を防止できるか？

主な発見

• 協調リレーリング戦略は、アンダーレイ、オーバーレイ、CRにインスパイアされたNOMAの3つの認知的NOMAアーキテクチャすべてにおいて、アウトージ確率を顕著に低減し、受信信頼性を向上させる。
• NOMAとCRの統合により、従来の周波数分割多重（OMA）方式に比べ、より高いスペクトル効率が達成され、マス・コネクティビティが実現され、公平性が向上する。
• リレーデプロイメントにより、主ユーザーおよび二次ユーザーからの干渉低減が可能となり、ダウンリンクおよびアップリンクNOMA両方のシナリオでアウトージ性能が向上する。
• MIMO-NOMAにおける共同受信・送信ビームフォーミングと最適パワー割り当てにより、主ネットワークへの干渉を制限しつつ、二次ユーザーの合計スループットを最大化できる。
• リレー選択とユーザースケジューリング戦略は、主ユーザーおよび二次ユーザーの両方の信頼性を共同最適化する必要があり、従来の手法を超える新しい設計が求められる。
• 協調ジャミングなどの物理層セキュリティ技術により、信頼できないリレーやサービス拒否攻撃のリスクを低減できる。