[論文レビュー] Large-Scale NOMA: Promises for Massive Machine-Type Communication

Ekram Hossain, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 4被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、多数の機械間通信（mMTC）を対象とした大規模NOMAを実現するため、複数の基地局（BS）による協調制御を用いた協調型NOMAフレームワークを提案する。協調多重送信（CoMP）を活用することで、信号パワーと diversity gain（分散利得）が向上し、NOMA間干渉とSIC（逐次干渉キャンセリング）の複雑さが低減される。その結果、スペクトル効率と電力効率が向上し、高ユーザ密度下でも信頼性の高い接続が可能となる。

ABSTRACT

We investigate on large-scale deployment of non-orthogonal multiple access (NOMA) for improved spectral and power efficiency in cellular networks to provide massive wireless connectivity (e.g. for machine-type communication [mMTC]). First, we describe the basics of single-antenna NOMA technology and its extension to co-located multiple-antenna NOMA as well as coordinated multipoint transmission (CoMP)-enabled NOMA technologies. Then we discuss some of the practical challenges of large-scale deployment of NOMA such as the inter-NOMA-interference (INI), inter-cell interference, and hardware implementation complexity. To this end, we present one key enabling technique to overcome the challenges of large-scale deployment of NOMA. Generally speaking, for a feasible large-scale NOMA implementation, sophisticated diversity enhancing techniques can be used to compensate for the degradation in coding gain and to decrease the complexity resulting from excessive INI and increased level of required successive interference cancellation (SIC). Furthermore, to massively extend NOMA over the network coverage area, NOMA transmitters have to cooperate in a generalized manner to serve all nearby users simultaneously.

研究の動機と目的

• 従来のNOMAが大規模機械間通信（mMTC）ネットワークにおいて直面するスケーラビリティの制限を解消すること。
• 大規模NOMAクラスタにおける高いNOMA間干渉（INI）とセル間干渉（ICI）を軽減すること。
• 大規模NOMAシステムにおける逐次干渉キャンセリング（SIC）のハードウェア複雑さを低減すること。
• 高度な分散利得をもたらす技術を用いて、大規模なインバンドNOMAクラスタの実用的導入を可能とすること。
• 限られたスケジューリング資源と高ユーザ密度下でのシステム性能と信頼性を向上させること。

提案手法

• 複数の基地局（BS）が1つの大規模NOMAクラスタに信号を共同で送信する協調型NOMA方式を提案する。
• CoMP送信を用いて、各NOMA受信機における所望信号のパワーを強化し、目的信号と干渉信号とのパワー差を拡大する。
• 多重アンテナと協調送信を活用し、受信機の感度を向上させ、低SIR（信号干渉比）の影響を低減する。
• 協調ビームフォーミングと電力割り当てを用いて、セル間干渉（ICI）を最小化するネットワーク設計戦略を導入する。
• 複数送信機からの分散利得を活用し、符号利得を向上させるとともにSICの複雑さを低減する。
• 各ユーザーの受信信号が複数の協調BSからの寄与を含む信号モデルを採用し、信頼性と性能を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高ユーザ密度下の大規模NOMAクラスタにおいて、NOMA間干渉（INI）をどのように効果的に低減できるか？
• RQ2 協調多重送信（CoMP）送信は、大規模NOMAにおける信号強度の向上とSICの複雑さ低減にどのように寄与するか？
• RQ3 協調する基地局の数を増加させることで、大規模NOMAにおけるシステムの分散利得と性能にどのような影響を与えるか？
• RQ4 NOMAを大規模機械間通信（mMTC）をサポートする規模にスケーリングするにあたり、主なハードウェア的および信号処理上の課題は何か？
• RQ5 MIMOやCoMPなどの分散利得を高める技術は、大規模NOMAクラスタにおける符号利得の低下を補うことができるか？

主な発見

• 複数の協調基地局を用いた協調型NOMAは、シミュレーションで示される性能曲線の急峻さから、システムの分散利得が顕著に向上することを実証した。
• 協調送信機の数（K）を増加させることで、高ユーザ密度下でも高いスペクトル効率を維持できる能力が向上した。
• 共同送信による所望信号パワーの増加により、各NOMA受信機における有効干渉レベルが低減された。
• CoMPを活用したNOMAの採用により、信号間のパワー差が小さい場合の悪影響が軽減され、大規模クラスタにおけるSICの信頼性が向上した。
• シミュレーション結果から、受信機数（M）が大きくても、分散利得の向上とINIの低減により、性能が安定していることが示された。
• スペクトル効率、電力効率、ハードウェア複雑さのバランスを取ることで、本フレームワークは大規模NOMAの実用的導入を可能にした。