[論文レビュー] NOMA for Integrating Sensing and Communications towards 6G: A Multiple Access Perspective

Xidong Mu, Zhaolin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Jun 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 5

ひとこと要約

本稿は、6Gにおける統合センシングおよび通信（ISAC）のための新規非直交多重アクセス（NOMA）ベースの設計を提案し、スーパーポジション・コーディングと逐次干渉キャンセレーションを用いて、センシングと通信の間で効率的なスケジューリングを実現する。NOMAを活用したダウンリンクISACおよびNOMAインスパイアドのダウンリンクISACに加え、純粋NOMAおよび準NOMAのアップリンクISACフレームワークを導入し、数値結果を通じて、従来の直交多重アクセスおよび純粋NOMAアプローチに比べ、センシング対通信のトレードオフ性能が優れていることを示している。

ABSTRACT

This article focuses on the development of integrated sensing and communications (ISAC) from a multiple access (MA) perspective, where the idea of non-orthogonal multiple access (NOMA) is exploited for harmoniously accommodating the sensing and communication functionalities. We first reveal that the developing trend of ISAC is from \emph{orthogonality} to \emph{non-orthogonality}, and introduce the fundamental models of the downlink and uplink ISAC while identifying the design challenges from the MA perspective. (1) For the downlink ISAC, we propose two novel designs, namely \emph{NOMA-empowered} downlink ISAC and \emph{NOMA-inspired} downlink ISAC to effectively coordinate the inter-user interference and the sensing-to-communication interference, respectively. (2) For the uplink ISAC, we first propose a \emph{pure-NOMA-based} uplink ISAC design, where a fixed communication-to-sensing successive interference cancellation order is employed for distinguishing the mixed sensing-communication signal received over the fully shared radio resources. Then, we propose a general \emph{semi-NOMA-based} uplink ISAC design, which includes the conventional orthogonal multiple access-based and pure-NOMA-based uplink ISAC as special cases, thus being capable of providing flexible resource allocation strategies between sensing and communication. Along each proposed NOMA-ISAC design, numerical results are provided for showing the superiority over conventional ISAC designs.

研究の動機と目的

• 統合センシングおよび通信（ISAC）における機能間干渉の課題に、複数アクセスの観点からNOMAを活用することで解決を図ること。
• NOMAの原則を用いて、ユーザー間干渉およびセンシングから通信への干渉を調整する、新規なダウンリンクISACアーキテクチャの開発。
• センシングと通信の間で動的リソース割り当てを可能にする、純粋NOMAおよび準NOMAベースの柔軟なアップリンクISACフレームワークの設計。
• 従来の直交多重アクセス（OMA）および純粋NOMAベースのISACに比べ、NOMA-ISAC設計のセンシングおよび通信性能トレードオフにおける優位性を実証すること。

提案手法

• 基地局でのスーパーポジション・コーディングとユーザーでの逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、ユーザー間干渉およびセンシングから通信への干渉を管理するNOMAを活用したダウンリンクISACの提案。
• センシング信号と通信信号の干渉を低減するために、送信パワー割り当てと信号構造を再構成するNOMAインスパイアドのダウンリンクISACの導入。
• 完全に共有された無線リソース上で混合センシング・通信信号を処理する固定の逐次干渉キャンセレーション順序を採用した、純粋NOMAベースのアップリンクISAC設計の開発。
• 無線リソースをセンシング専用、通信専用、および混合センシング・通信リソースブロックに分割し、柔軟な割り当てを可能にする準NOMAベースのアップリンクISACフレームワークの提案。
• センシングおよび通信性能を評価するために、確立されたレーダー推定情報レート（REIR）と確立された通信レートを性能指標として採用。
• 数値結果を用いて、提案されたNOMA-ISAC設計が、従来の直交多重アクセス（OMA）ベースおよび純粋NOMAベースのISACと比較して、トレードオフ性能において優れていることを検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAは、ダウンリンクISACにおいて、ユーザー間干渉およびセンシングから通信への干渉を効果的に軽減するためにどのように適用可能か？
• RQ2 NOMAインスパイアドおよびNOMAを活用したダウンリンクISAC設計は、従来のISACに比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ3 純粋NOMAベースのアップリンクISAC設計は、完全に共有された無線リソース上でも、効果的なセンシングと通信の共存を達成できるか？
• RQ4 準NOMAベースのアップリンクISAC設計は、どのようにして柔軟なリソース割り当てとセンシングと通信の間の改善されたトレードオフを実現するか？
• RQ5 リソース分割とパワー割り当ての影響は、アップリンクISACにおけるセンシング対通信の性能トレードオフにどのように及ぶか？

主な発見

• 提案された準NOMAベースのアップリンクISACは、OMAベースおよび純粋NOMAベースのアップリンクISAC設計に比べ、優れたセンシング対通信トレードオフを達成している。
• 純粋NOMAベースのアップリンクISACは、センシング優先の状況では良好な性能を示すが、通信優先の設計では通信性能が最も悪くなる。
• NOMAを活用したおよびNOMAインスパイアドのダウンリンクISAC設計は、パワー領域多重とSICを用いて、ユーザー間干渉およびセンシングから通信への干渉を効果的に抑制している。
• 準NOMAベースのアップリンクISAC設計は、OMAベースおよび純粋NOMAベースの設計を特別なケースとして含む一般化されたフレームワークを提供し、適応的リソース割り当てを可能にする。
• 数値結果により、提案されたNOMA-ISACフレームワークが、スペクトル効率および性能トレードオフの観点で、従来のISAC設計を上回っていることが確認された。
• 準NOMAベースのアップリンクISACにおけるC-RB割り当ては、通信性能の向上に重要であり、センシング干渉を通信信号に低減するからである。