[論文レビュー] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA): How It Meets 5G and Beyond

S. M. Riazul Islam, Ming Zeng+2 more|arXiv (Cornell University)|Jul 23, 2019

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering参考文献 79被引用数 17

ひとこと要約

本論文は、5Gおよびそれ以降のネットワークにおける主要な無線アクセス技術としての非直交多重アクセス（NOMA）について包括的な概要を提示し、従来の直交多重アクセス（OMA）に比べてスペクトル効率に優れている点を強調している。単一および多重アンテナシステムにおけるパワー・ドメインおよびコード・ドメインNOMA、ユーザーのペアリングやパワー割り当てといったリソース割り当て戦略、協調NOMAの変種、ミリ波および異種ネットワークとの統合における課題を詳述している。

ABSTRACT

Due to massive connectivity and increasing demands of various services and data-hungry applications, a full-scale implementation of the fifth generation (5G) wireless systems requires more effective radio access techniques. In this regard, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently gained ever-growing attention from both academia and industry. Compared to orthogonal multiple access (OMA) techniques, NOMA is superior in terms of spectral efficiency and is thus appropriate for 5G and Beyond. In this article, we provide an overview of NOMA principles and applications. Specifically, the article discusses the fundamentals of power-domain NOMA with single and multiple antennas in both uplink and downlink settings. In addition, the basic principles of code-domain NOMA are elaborated. Further, the article explains various resource allocation techniques such as user pairing and power allocation for NOMA systems; discusses the basic form of cooperative NOMA and its variants; and addresses several opportunities and challenges associated with the compatibility of NOMA with other advanced communication paradigms such as heterogeneous networks and millimeter wave communications.

研究の動機と目的

• 5Gおよび将来の無線ネットワークにおけるスペクトル効率と大量接続の増大する需要に対応する。
• 大量デバイス接続と高データレートをサポートする上で直交多重アクセス（OMA）の限界を克服する。
• パワー・ドメインおよびコード・ドメインの実装を含む、NOMAの原則を統合的に技術的概要として提示する。
• スペクトル効率と公平性を最適化するためのリソース割り当て技術、例えばユーザーのペアリングやパワー割り当てを調査する。
• ミリ波通信や異種ネットワークといった新たなパラダイムとのNOMA統合を検討する。

提案手法

• 単一および複数アンテナを用いた上行リンクおよび下行リンクの状況において、パワー・ドメインNOMAを分析する。
• スパース・コード多重アクセス（SCMA）および低密度シグネチャ（LDS）技術に基づくコード・ドメインNOMAを説明する。
• NOMAシステムにおけるスペクトル効率と公平性を最大化するためのユーザーのペアリング戦略を提案する。
• NOMAネットワークにおけるスループットとユーザーの公平性のバランスを取るために、パワー割り当てアルゴリズムを導入する。
• デコード・アンド・フォワードおよびアンプリファイ・アンド・フォワードリレーリングプロトコルを含む協調NOMA方式をレビューする。
• ミリ波および異種ネットワークとの統合におけるシステムレベルの課題、特にビームフォーミングと干渉管理を議論する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAは5Gおよびそれ以降のシステムにおいて、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システムの性能を最大化するために最適なユーザーのペアリングおよびパワー割り当て戦略は何か？
• RQ3 SCMAのようなコード・ドメインNOMA技術は、マルチアンテナおよびマルチユーザー環境で効果的にどのように展開できるか？
• RQ4 NOMAをミリ波および異種ネットワークと統合する際の主な課題と解決策は何か？
• RQ5 協調NOMAは、高速移動または低SNR環境において、どのようにカバレッジと信頼性を向上させるか？

主な発見

• NOMAはパワー・ドメイン多重を用いて複数のユーザーが同じ時間周波数リソースブロックを共有することで、OMAに比べて高いスペクトル効率を達成する。
• チャネルゲインの差に基づくユーザーのペアリングは、NOMAシステムにおける合計スループットと公平性を顕著に向上させる。
• マルチアンテナおよびマルチユーザー環境において、NOMAにおけるパワー割り当てを最適化することで、スループットとユーザーの公平性のバランスを取ることができる。
• コード・ドメインNOMA、特にSCMAは、パワー・ドメインNOMAよりもリソースブロックあたりのユーザー数を増やせるため、大規模な接続を可能にする。
• 協調NOMAは、リレーテクニックを用いて、特にセルエッジおよび高速移動環境におけるカバレッジと信頼性を向上させる。
• NOMAをミリ波および異種ネットワークと統合することは可能であるが、高度なビームフォーミングおよび干渉調整技術の導入が不可欠である。