[論文レビュー] Lattice Partition Multiple Access: A New Method of Downlink Non-orthogonal Multiuser Transmissions

Fang Dong, Yu-Chih Huang+4 more|ArXiv.org|Apr 18, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 7被引用数 13

ひとこと要約

本稿では、多重レジリエンスを実現するための新しい下行非直交多重アクセス方式であるラティス分割多重アクセス（LPMA）を提案する。この方式は、多段ラティス符号とモジュロラティス演算を用い、ユーザーのチャネル状態が類似している場合でも、堅牢なユーザー多重化を可能にする。各ユーザーに異なる素数を割り当て、他のユーザーの素数の積で信号を重み付けすることで、ラティスのモジュロ演算による逐次干渉キャンセレーションを実現し、NOMA より 28.6% 高いスループット、OMA より 63.7% 高いスループットを達成する。

ABSTRACT

In this paper, we propose a new downlink non-orthogonal multiuser superposition transmission scheme for future 5G cellular networks, which we refer to as the lattice partition multiple access (LPMA). In this proposed design, the base station transmits multilevel lattice codes for multiple users. Each user's code level corresponds to a distinct prime and is weighted by a product of all distinct primes of the other users excluding its own. Due to the structural property of lattice codes, each user can cancel out the interference from the other code levels by using the modulo lattice operation in a successive/parallel manner. LPMA can overcome the drawback of non-orthogonal multiple access (NOMA), which arises when users have similar channel conditions. We demonstrate that the proposed LPMA shows a clear throughput enhancement over the current NOMA scheme.

研究の動機と目的

• チャネル状態が類似している場合に、スケジューリングの柔軟性が制限されるため、従来の NOMA における性能劣化を解消すること。
• NOMA が効果的に機能するためには幾何的分離が必要となるが、そのような高密度ネットワークにおける高いスケジューリング複雑性を克服すること。
• ユーザー密度が高く、チャネル利得が類似している状況下でも、スペクトル効率が高く、処理オーバーヘッドが低い新しい多重アクセス方式の開発。
• 動的パワー調整を必要とせず、構造的パワー割り当てと互換性のある変調・符号化方式（MCS）を実現すること。
• ラティス符号の性質を活用して、チャネル利得の差にかかわらずユーザーをランダムにペアリング可能な低複雑度スケジューリングアルゴリズムの設計。

提案手法

• 各ユーザーの信号を、固有の素数に対応する異なるラティス分割に符号化する多段ラティス符号を用いる。
• 他のすべてのユーザーの素数の積で各ユーザーの信号を重み付けし、モジュロ領域における直交性を確保する。
• 各ユーザー端末（UE）でラティスモジュロ演算（例：mod θ_i）を適用し、互いに素なイデアルの代数的性質を活用して、他のユーザーの信号からの干渉をキャンセルする。
• ラティスベースのモジュロ演算を用いて、強い干渉成分をデコード・減算することで、UE での逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実現する。
• ラティス商群と有限体の間の同型性（例：ℤ[ω]/θℤ[ω] ≅ 𝔽₇）を活用し、等価なパワー割り当て下でも明確な信号分離を保証する。
• SINRフィードバックに基づくルックアップテーブルを用いてMCS選択を実施し、従来のLTEシステムとの互換性を確保するとともに、動的パワー調整の必要性を排除する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 チャネル状態が類似している場合に、ラティスベースの信号設計が、従来のNOMAの制限を克服し、効果的なユーザー多重化を可能にするか。
• RQ2 ラティス符号の構造的性質をどのように活用すれば、パワー領域分離に依存せずに干渉キャンセレーションを実現できるか。
• RQ3 LPMA は、チャネル利得の差にかかわらずユーザーをランダムペアリング可能であるため、高密度セルラーネットワークにおけるスケジューリング複雑度をどの程度低減できるか。
• RQ4 実際の5Gネットワークパrameterを想定した場合、LPMA はNOMA や OMA に対して、ユーザースループットの観点でどの程度のスペクトル効率の向上を達成できるか。
• RQ5 構造的パワー割り当てと固定MCS設計により、LPMA は既存のLTEシステムとどの程度の互換性を維持できるか。

主な発見

• 同じシミュレーション環境下で、LPMA は NOMA より 28.6% 高いユーザースループットを達成し、顕著なスペクトル効率の向上を示した。
• LPMA は OMA より 63.7% 高いユーザースループットを達成し、スペクトル効率とマルチユーザー多重化能力の優位性を強力に示した。
• 提案手法により、ユーザーのチャネル利得が等しい場合でも、有効な干渉キャンセレーションが可能であることが、互いに素なアイゼンシュタイン素数を用いた例1で実証された。
• スケジューリング複雑度が顕著に低減された。LPMA は、チャネル利得の差にかかわらずユーザーをランダムにペアリング可能であり、チャネル利得の差に基づく複雑な幾何的分離の必要性を回避した。
• 低ノイズ条件下では、モジュロ演算後のノイズ分布が無視できるほど小さく、OMA のMCS設計を直接再利用可能であり、LTEシステムとの後方互換性を確保した。
• 素数の積による構造的パワー割り当てが本質的に実現されるため、動的パワー調整の必要性がなく、信号伝送のオーバーヘッドも削減された。