[論文レビュー] Multiple Antenna Assisted Non-Orthogonal Multiple Access

Yuanwei Liu, Hong Xing+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 13被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、複数アンテナを用いた非直交多重アクセス（MIMO-NOMA）を調査し、空間多重化とビームフォーミングを活用することで、MIMO-OMAに比べて高いスペクトル効率を達成することを示している。MIMO-NOMAのビームフォーマー基盤型およびクラスタ型の設計を提案し、単一周波帯域およびマルチキャリアシステムにおけるリソース割り当てを分析するとともに、実装上の課題とその解決策を特定し、5Gネットワークにおける主な未解決研究課題を強調している。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is potentially capable of circumventing the limitations of the classic orthogonal multiple access schemes, hence it has recently received significant research attention both in industry and academia. This article is focused on exploiting multiple antenna techniques in NOMA networks, with an emphasis on investigating the rate region of multiple-input multiple-output (MIMO)-NOMA, whist reviewing two popular multiple antennas aided NOMA structures, as well as underlining resource management problems of both single-carrier and multi-carrier MIMO-NOMA networks. This article also points out several effective methods of tackling the practical implementation constraints of multiple antenna NOMA networks. Finally, some promising open research directions are provided in context of multiple antenna aided NOMA.

研究の動機と目的

• 情報理論的観点から、MIMO-NOMAがMIMO-OMAに比べて得られるスペクトル効率の向上を分析すること。
• MIMO-NOMAシステムの2大アーキテクチャであるビームフォーマー基盤型およびクラスタ型設計を調査すること。
• 単一周波帯域およびマルチキャリアMIMO-NOMAネットワークにおけるリソース割り当ての課題に対処すること。
• ハードウェアの複雑さやセキュリティ上の脆弱性といった実装上の制約を特定し、それに対する解決策を提案すること。
• 将来の5Gおよびそれ以降のネットワークにおけるMIMO-NOMAの有望な研究課題を整理すること。

提案手法

• 同じリソースブロック内でユーザーをパワー領域で多重化するため、送信側でスーパーポジション・コーディング（SC）を、受信側で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いる。
• ダーティ・ペーパー・コーディング（DPC）と比較することで、MIMO-NOMAの実現可能レート領域を分析し、固定された復調順序のもとでNOMAのレート領域がDPCの部分集合であることを示す。
• 方向性ビームフォーミングを用いてユーザー固有のチャネルを形成し、スペクトル効率を向上させるビームフォーマー基盤型MIMO-NOMAを提案する。
• チャネル品質に基づいてユーザーをグループ化することで、効率的なパワーおよびビーム割り当てを可能にするクラスタ型MIMO-NOMAを導入する。
• RFチェーンのコストを削減し、チャネル順序付けを簡素化するためにアンテナ選択（AS）を適用し、MIMO-NOMAをパフォーマンスと複雑さのトレードオフの観点からSISO-NOMAに変換する。
• 人工ノイズ（AN）の注入による物理層セキュリティ（PLS）を統合し、特にNOMAユーザー内に内部の盗聴者が存在する状況においても盗聴から保護する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMO-NOMAは、実現可能レート領域の観点から、MIMO-OMAに比べてどの程度の理論的スペクトル効率の向上を達成できるか？
• RQ2 ビームフォーミングとクラスタリングをどのように効果的にMIMO-NOMAに適用することで、システム性能の向上と多様なQoS要件のサポートを実現できるか？
• RQ3 単一周波帯域およびマルチキャリアMIMO-NOMAシステムにおける主なリソース割り当ての課題は何か、そしてそれらはどのように解決できるか？
• RQ4 MIMO-NOMAにおける実装上の問題、たとえばハードウェアの複雑さ、フィードバックオーバーヘッド、セキュリティ脅威はどのように軽減できるか？
• RQ5 特にマス・MIMOおよびミリ波システムを想定した場合、5Gおよびそれ以降のMIMO-NOMAにおける最も有望な研究課題は何か？

主な発見

• MIMO-NOMAは、ビームフォーミングと空間多重化を活用することで、空間自由度を活用し、MIMO-OMAに比べてより高いスペクトル効率を達成する。
• MIMO-NOMAのレート領域はDPCのレート領域の真の部分集合であるが、準劣化（quasi-degradation）などの条件下では、DPCと同等の性能を達成できる。
• アンテナ選択（AS）により、RFチェーンの数を削減し、チャネル順序付けを簡素化することで、パフォーマンスと複雑さのトレードオフを有利に制御でき、MIMO-NOMAを実質的にSISO-NOMAに変換できる。
• 人工ノイズ（AN）の注入による物理層セキュリティは、外部および内部の盗聴者からの脅威を保護するのに有効であり、特にチャネル条件が非対称な場合に顕著である。
• ポアソンクラスタ過程（PCP）を用いた確率的幾何学的モデリングは、空間的なランダムネスを有する大規模MIMO-NOMAネットワークの分析に、より現実的かつ包括的なフレームワークを提供する。
• 送信プレコーディングおよび検出器設計に依存するため、最適なSIC復調順序設計は、MIMO-NOMAにおいて依然として未解決の課題であり、多くの既存研究が部分的に最適でない順序に依存している。