[論文レビュー] Non-Orthogonal Multiple Access for 5G and Beyond

Yuanwei Liu, Zhijin Qin+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 200被引用数 15

ひとこと要約

本論文は、5Gおよびそれ以降の通信システムにおけるパワー・ドメイン非直交多重アクセス（NOMA）について包括的なサーベイを提供しており、同じリソースブロック内で複数のユーザーをパワー領域に多重することによってスペクトル効率を向上させることの可能性を強調している。スーパーポジション・コーディング、逐次干渉キャンセレーション（SIC）、MIMOおよび協調通信との統合といった主要技術をレビューし、標準化、干渉管理、統合フレームワーク設計における未解決の課題と今後の研究方向性を特定している。

ABSTRACT

Driven by the rapid escalation of the wireless capacity requirements imposed by advanced multimedia applications (e.g., ultra-high-definition video, virtual reality etc.), as well as the dramatically increasing demand for user access required for the Internet of Things (IoT), the fifth generation (5G) networks face challenges in terms of supporting large-scale heterogeneous data traffic. Non-orthogonal multiple access (NOMA), which has been recently proposed for the 3rd generation partnership projects long-term evolution advanced (3GPP-LTE-A), constitutes a promising technology of addressing the above-mentioned challenges in 5G networks by accommodating several users within the same orthogonal resource block. By doing so, significant bandwidth efficiency enhancement can be attained over conventional orthogonal multiple access (OMA) techniques. This motivated numerous researchers to dedicate substantial research contributions to this field. In this context, we provide a comprehensive overview of the state-of-the-art in power-domain multiplexing aided NOMA, with a focus on the theoretical NOMA principles, multiple antenna aided NOMA design, on the interplay between NOMA and cooperative transmission, on the resource control of NOMA, on the co-existence of NOMA with other emerging potential 5G techniques and on the comparison with other NOMA variants. We highlight the main advantages of power-domain multiplexing NOMA compared to other existing NOMA techniques. We summarize the challenges of existing research contributions of NOMA and provide potential solutions. Finally, we offer some design guidelines for NOMA systems and identify promising research opportunities for the future.

研究の動機と目的

• 5Gおよび将来のネットワークにおけるパワー・ドメイン NOMA の最新状況を概説すること。
• NOMA を複数アンテナシステムおよび協調通信技術と統合する分析。
• リソース割り当て、干渉管理、他の5G技術との共存に関する調査。
• NOMA 実装における未解決の課題と標準化のギャップの特定。
• 統合型 NOMA フレームワークのための設計指針の提案および今後の研究機会の強調。

提案手法

• スーパーポジション・コーディングおよび逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いたパワー・ドメイン NOMA の理論的基盤をサーベイ。
• ビームフォーミングおよび空間多重を用いた MIMO-NOMA システムの分析により、スペクトル効率の向上を図る。
• アンプリファイ・アンド・フォワード（AF）およびデコード・アンド・フォワード（DF）リレーポロコールを用いた協調型 NOMA の評価。
• マッシブ MIMO、ヘテロジニアス・エヌエッチ（HetNets）、D2D、CR などの新たな5G技術と NOMA の統合。
• 包括的ネットワーク最適化および動的リソース制御を実現するソフトウェア定義 NOMA（SD-NOMA）の提案。
• SCMA、PDMA、MUST を含む代替 NOMA スキームのレビューおよび主な特徴の比較。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5Gネットワークにおいて、パワー・ドメイン NOMA は従来の OMA に比べてどのようにスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 NOMA を MIMO および協調リレーリングと統合する際の性能向上と設計上の課題は何か？
• RQ3 マッシブ MIMO や D2D 通信などの他の5G技術と効果的に共存させるにはどうすればよいか？
• RQ4 NOMA の標準化、干渉管理、実装における主な未解決問題は何か？
• RQ5 多様な NOMA バリエーションをサポートし、異種シナリオにわたるスケーラブルな展開を可能にする統合フレームワークは何か？

主な発見

• スーパーポジション・コーディングおよび SIC を用いたパワー領域でのユーザー多重により、パワー・ドメイン NOMA は顕著なスペクトル効率の向上を達成している。
• ビームフォーミングおよび空間多重を用いた MIMO-NOMA はスペクトル効率を向上させるとともに、より高いユーザー多重利得を実現している。
• AF および DF リレーポロコールを用いた協調型 NOMA は diversity gain を提供し、カバレッジおよび信頼性を向上させている。
• リソース割り当ておよび電力割り当て（PA）は、特に異種ユーザー環境においてサービス品質（QoS）と公平性のバランスを取るために極めて重要である。
• SCMA や PDMA は低複雑度でゲートレスアクセスを実現できるが、高度なコードブック設計と共同検出を要する。
• NOMA の標準化は進展しているが、誤り伝搬、チャネル推定、セキュリティに関する点で依然として実装ギャップが存在する。