[論文レビュー] Multiple Access for 5G New Radio: Categorization, Evaluation, and Challenges

Hyunsoo Kim, Yeon Geun Lim+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 5被引用数 24

ひとこと要約

本稿では、5G New Radioにおける非直交多重アクセス（NOMA）方式を提案および評価し、MAシグネチャーの種別（コードブック、シーケンス、インターリーブ/スクランブルベース）に応じて分類し、リンクレベルおよび3次元レイトラスティングに基づくシステムレベルのシミュレーションを用いる。各方式が異なる条件下で特徴的な性能優位性を示すことが明らかになった。コードブックベースのNOMAは高過負荷環境で優れた性能を発揮し、シーケンスベース方式は混雑した環境におけるカバレッジと容量を向上させる。

ABSTRACT

Next generation wireless networks require massive uplink connections as well as high spectral efficiency. It is well known that, theoretically, it is not possible to achieve the sum capacity of multi-user communications with orthogonal multiple access. To meet the challenging requirements of next generation networks, researchers have explored non-orthogonal and overloaded transmission technologies-known as new radio multiple access (NR-MA) schemes-for fifth generation (5G) networks. In this article, we discuss the key features of the promising NR-MA schemes for the massive uplink connections. The candidate schemes of NR-MA can be characterized by multiple access signatures (MA-signatures), such as codebook, sequence, and interleaver/scrambler. At the receiver side, advanced multi-user detection (MUD) schemes are employed to extract each user's data from non-orthogonally superposed data according to MA-signatures. Through link-level simulations, we compare the performances of NR-MA candidates under the same conditions. We further evaluate the sum rate performances of the NR-MA schemes using a 3-dimensional (3D) ray tracing tool based system-level simulator by reflecting realistic environments. Lastly, we discuss the tips for system operations as well as call attention to the remaining technical challenges.

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおけるマス・アップリンク接続と高いスペクトル効率を実現するための直交多重アクセス（OMA）の限界を克服すること。
• MAシグネチャーの種別（コードブック、シーケンス、インターリーブ/スクランブル）に基づき、新規NR多重アクセス（NR-MA）方式を分類および比較すること。
• リンクレベルおよびシステムレベルのシミュレーションを用いて、同一のシステム条件下でNR-MA候補の性能を公平に評価すること。
• 現実的な都市部および屋内環境におけるNR-MA方式の最適な展開シナリオと運用インサイトを特定すること。
• 実用的なNR-MA展開に向けた主な技術的課題、例えばリソース割り当て、リンク適応、チャネル推定、同期の課題を強調すること。

提案手法

• MAシグネチャーの主な種別（コードブック、シーケンス、インターリーブ/スクランブル）に基づきNR-MA方式を分類し、各方式がユーザー固有の信号スプリーディングを可能にする。
• 固定パラメータ（送信電力、リソースブロック、ユーザー数、チャネル状態）を用いたリンクレベルシミュレーションを実施し、ユーザー間干渉耐性および性能を比較する。
• 3次元レイトラスティングに基づくシステムレベルシミュレータを用いて、現実的な都市部および屋内環境における和スループット性能を評価する。
• 受信機で、MAシグネチャーの特性に基づき重ね合わせ信号をデコードするための高度なマルチユーザー検出（MUD）アルゴリズムを適用する。
• MUDデコードの限界を補うために強力なフォワードエラー制御（FEC）符号化を統合する。
• ゲントフリーアクセスおよびグループスケジューリングを含む動的ユーザースケジューリング下でのシステム運用を分析し、実用的展開の可能性を評価する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 コードブック、シーケンス、インターリーブ/スクランブルの各MAシグネチャー種別が、過負荷なアップリンク環境におけるNR-MA方式の性能および干渉耐性にどのように影響を与えるか？
• RQ2 3次元レイトラスティングでモデル化された現実的な都市部および屋内環境における、NR-MA方式の相対的和スループット性能はどのようになるか？
• RQ3 高ユーザー過負荷、カバレッジ向上、または干渉制限環境において、どのNR-MA方式が最も適しているか？
• RQ4 NR-MAシステムにおけるマス・コネクティビティ実現に向けたリソースおよびMAシグネチャー割り当てにおける主な課題は何か？
• RQ5 リンク適応、チャネル推定、同期が、実際のNR-MAにおける実現可能性と性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• コードブックベースのMA方式は、効果的な信号スプリーディングと干渉耐性の高さにより、極めて過負荷な環境下で優れた性能を発揮する。
• シーケンスベースのMA方式は、カバレッジとスペクトル効率の向上を実現し、多数のアクティブリンクが存在する混雑した都市部展開に最適である。
• インターリーブ/スクランブルベースのMA方式は、高トラフィック負荷に起因する干渉制限環境に適しており、ダイバーシティゲインと干渉平均化の利点を有する。
• リンクレベルシミュレーションから、MAシグネチャーの特性とMUDアルゴリズム設計が、ユーザー間干渉の許容レベルに顕著な影響を与えることが示された。
• 3次元レイトラスティングに基づくシステムレベルシミュレーションにより、現実の伝搬環境におけるNR-MA方式の実現可能性と高い潜在的性能が確認され、OMAに対する測定可能な和スループット向上が得られた。
• 本研究では、効率的なリソースおよびMAシグネチャー割り当て、動的リンク適応、非直交パイロットを伴う正確なチャネル推定、およびタイミングオフセット下での堅牢な同期が、主な課題として特定された。