[論文レビュー] Non-Orthogonal Multiple Access For Near-Field Communications

Jiakuo Zuo, Xidong Mu+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 25, 2023

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、ハイブリッドビームフォーミングを用いて角度領域および距離領域におけるビームフォーカスを活用することで、近距離通信（NF-NOMA）のための非直交多重アクセス（NOMA）を提案する。2つのフレームワーク—単一位置ビームフォーカスおよび複数位置ビームフォーカス—を導入し、特に距離が遠くに位置する高QoSユーザーに対して、従来の遠距離NOMAよりも高いスペクトル効率を達成する。干渉はゼロフォーリング（ZF）デジタルビームフォーミングおよび最適化されたパワー割り当てにより良好に抑制される。

ABSTRACT

The novel concept of near-field non-orthogonal multiple access (NF-NOMA) communications is proposed. The near-filed beamfocusing enables NOMA to be carried out in both angular and distance domains. Two novel frameworks are proposed, namely, single-location-beamfocusing NF-NOMA (SLB-NF-NOMA) and multiple-location-beamfocusing NF-NOMA (MLB-NF-NOMA). 1) For SLB-NF-NOMA, two NOMA users in the same angular direction with distinct quality of service (QoS) requirements can be grouped into one cluster. The hybrid beamformer design and power allocation problem is formulated to maximize the sum rate of the users with higher QoS (H-QoS) requirements. To solve this problem, the analog beamformer is first designed to focus the energy on the H-QoS users and the zero-forcing (ZF) digital beamformer is employed. Then, the optimal power allocation is obtained. 2) For MLB-NF-NOMA, the two NOMA users in the same cluster can have different angular directions. The analog beamformer is first designed to focus the energy on both two NOMA users. Then, a singular value decomposition (SVD) based ZF (SVD-ZF) digital beamformer is designed. Furthermore, a novel antenna allocation algorithm is proposed. Finally, a suboptimal power allocation algorithm is proposed. Numerical results demonstrate that the NF-NOMA can achieve a higher spectral efficiency and provide a higher flexibility than conventional far-field NOMA.

研究の動機と目的

• 近距離通信（NFC）におけるNOMA研究の不足に応える。ここでは、球面波面が新たな自由度を可能にする。
• 平面波面に依存する従来の遠距離NOMAの制限を克服し、距離領域多重化を活用できない点を解消する。
• 近距離ビームフォーカスを活用したハイブリッドビームフォーミングフレームワークを設計し、より高いスペクトル効率と干渉管理を実現する多ユーザーNOMAを支援する。
• 高品質サービス（H-QoS）ユーザーの合計スループットを最大化すると同時に、すべてのユーザーのQoS制約を満たすために、アナログ／デジタルビームフォーミングとパワー割り当てを統合的に最適化する。
• NF-NOMAが、スペクトル効率および干渉抑制の観点で、従来の遠距離NOMAおよび近距離周波数多重アクセス（NOMA）を上回ることを実証する。

提案手法

• 同一の角度方向にいるが距離が異なる2人のユーザーを1つのアナログビームフォーマーでサービス提供する、単一位置ビームフォーカスNF-NOMA（SLB-NF-NOMA）を提案する。
• H-QoSユーザーにエネルギーを集約するアナログビームフォーマーを設計し、クラスタ間干渉を抑制するためにゼロフォーリング（ZF）デジタルビームフォーミングを適用する。
• ユーザーのデータレート制約のもとでH-QoSユーザーの合計スループットを最大化する問題を定式化し、ビームフォーマー設計後に最適パワー割り当てを用いて解く。
• 1つのアナログビームフォーマーが2つの異なる位置に焦点を合わせ、異なる角度方向を持つユーザーをサービス提供する、複数位置ビームフォーカスNF-NOMA（MLB-NF-NOMA）を導入する。
• ビームスプリッティングを用いてマルチフォーカスアナログビームフォーマーを設計し、SVDに基づくZF（SVD-ZF）デジタルビームフォーミングを用いてクラスタ間干渉を低減する。
• 多数対1対のマッチングを用いたアンテナ割り当てアルゴリズムを開発し、ビームフォーミングクラスタへのユーザーの割り当てを実現。また、部分最適パワー割り当てのための反復的分数プログラミングアルゴリズムを提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 近距離ビームフォーカスは、角度領域および距離領域におけるNOMA伝送を可能にし、従来の遠距離NOMAに優位性をもたらすか？
• RQ2 NF-NOMAにおけるハイブリッドビームフォーミングは、異なる角度および距離位置を持つ複数ユーザーのクラスタリングをどのように実現できるか？
• RQ3 スペクトル効率および干渉抑制の観点で、NF-NOMAは遠距離NOMAに比べてどの程度の性能向上を達成するか？
• RQ4 距離領域におけるビームフォーカスは、特に基地局から遠く離れたH-QoSユーザーに対して、スペクトル効率をどのように向上させるか？
• RQ5 ZFデジタルビームフォーミングおよびビームスプリッティング技術を用いることで、NF-NOMAにおける干渉を効果的に抑制できるか？

主な発見

• 提案されたSLB-NF-NOMAおよびMLB-NF-NOMA方式は、H-QoSユーザーが遠くに位置する場合でさえ、従来の遠距離NOMAを上回るスペクトル効率を達成する。
• 距離領域におけるビームフォーカスは、効果的なユーザークラスタリングと干渉抑制を可能にし、特にZFデジタルビームフォーミングおよび最適化されたパワー割り当てによって顕著に向上する。
• ビームスプリッティングによるビーム幅の拡大にもかかわらず、MLB-NF-NOMA方式は、強化されたビームフォーカスと干渉抑制のおかげで、MB-FF-NOMAを上回るスペクトル効率を達成する。
• 数値結果により、NFビームフォーカスがクラスタ内およびクラスタ間干渉の両方を効果的に低減することが確認され、遠距離ビームステアリングを凌駕する。
• SVD-ZFデジタルビームフォーマーはクラスタ間干渉を効果的に抑制し、共同アナログビームフォーマー設計と最適パワー割り当てによりH-QoSユーザーの合計スループットが最大化される。
• 反復的分数プログラミングアルゴリズムは、部分最適パワー割り当て解に収束し、NF-NOMAシステムにおけるスペクトル効率の顕著な向上を実現する。