[論文レビュー] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in Cellular Uplink and Downlink: Challenges and Enabling Techniques

Hina Tabassum, Shipon Ali+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 20, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 82

ひとこと要約

本稿は、5G無線アクセスの上行リンクおよび下行リンクにおける非直交多重アクセス（NOMA）のユーザーペアリングおよび電力割り当て最適化のための理論的枠組みを提案する。2ユーザークラスタにおける上行リンクおよび下行リンクのNOMA優位条件を別々に導出することで、周波数効率の向上が可能となり、直交多重アクセス（OMA）を上回る性能向上が数値結果で示されている。

ABSTRACT

By combining the concepts of superposition coding at the transmitter(s) and successive interference cancellation (SIC) at the receiver(s), non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently emerged as a promising multiple access technique for 5G wireless technology. In this article, we first discuss the fundamentals of uplink and downlink NOMA transmissions and outline their key distinctions (in terms of implementation complexity, detection and decoding at the SIC receiver(s), incurred intra-cell and inter-cell interferences). Later, for both downlink and uplink NOMA, we theoretically derive the NOMA dominant condition for each individual user in a two-user NOMA cluster. NOMA dominant condition refers to the condition under which the spectral efficiency gains of NOMA are guaranteed compared to conventional orthogonal multiple access (OMA). The derived conditions provide direct insights on selecting appropriate users in two-user NOMA clusters. The conditions are distinct for uplink and downlink as well as for each individual user. Numerical results show the significance of the derived conditions for the user selection in uplink/downlink NOMA clusters and provide a comparison to the random user selection. A brief overview of the recent research investigations is then provided to highlight the existing research gaps. Finally, we discuss the potential applications and key challenges of NOMA transmissions.

研究の動機と目的

• 5Gネットワークにおける周波数効率およびユーザーキャパシティの制限を抱える直交多重アクセス（OMA）の課題を解決し、NOMAを優れた代替手段として提案すること。
• 上行リンクおよび下行リンクの両方において、周波数効率の観点からNOMAがOMAを上回る条件を特定・形式化すること。
• ユーザ固有のNOMA優位条件を導出することで、NOMAクラスタにおけるユーザーペアリングおよび電力割り当ての理論的基盤を提供すること。
• セル間干渉、SIC誤差伝搬、ユーザクラスタリングといった、マルチセルNOMA展開における主な課題を強調すること。
• NOMAシステムにおけるマルチユーザグループ化、電力制御、干渉低減戦略のギャップを特定することで、今後の研究を導くこと。

提案手法

• 上行リンクおよび下行リンクの両状況において、信号対インターフェレンス＋ノイズ比（SINR）解析を用いて、2ユーザーネットワークにおける各ユーザのNOMA優位条件を導出する。
• 送信側ではスーパーポジション・コーディングを適用し、受信側では逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、同じリソース上での複数ユーザ同時伝送を実現する。
• 総送信電力制約下でのチャネル利得および電力割り当ての影響を考慮し、NOMAクラスタ内の隣接セル干渉をモデル化する。
• 理論的解析を用いてNOMAの周波数効率をOMAと比較し、NOMAが優れた性能を達成する明示的な数学的条件を導出する。
• 数値シミュレーションを用いて導出された条件の性能を評価し、最適化されたユーザーペアリングとランダムなユーザーピアリングを比較する。
• セル間干渉低減および信頼性向上を目的として、協調マルチポイント（CoMP）、D2D協調、ハイブリッドNOMA-OMA運用といった将来のシステムレベルの強化を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 2ユーザーネットワークにおける上行リンクおよび下行リンク伝送において、NOMAがOMAを上回る周波数効率を達成する条件は何か？
• RQ2 上行リンクと下行リンクのNOMAにおいて、ユーザ固有の電力割り当ておよびチャネル利得要件の観点から、NOMA優位条件はどのように異なるか？
• RQ3 導出されたNOMA優位条件に基づくユーザーペアリングとランダムなユーザーピアリングを比較した場合、周波数効率およびシステムスループットにどのような影響があるか？
• RQ4 セル内干渉およびセル間干渉はNOMA性能にどのような影響を及ぼすか？また、マルチセル展開においてその影響を軽減する戦略は何か？
• RQ5 SIC誤差伝搬、ユーザクラスタリング、電力割り当てといった要因を含め、NOMAを大規模に展開するにあたり、主な課題は何か？それらはどのように解決できるか？

主な発見

• 2ユーザークラスタにおける上行リンクおよび下行リンクの両方について、NOMA優位条件が導出された。その結果、ユーザのチャネル利得および電力割り当てが特定の不等式を満たす場合、NOMAはOMAを上回ることを示した。
• 導出された条件は上行リンクと下行リンクで異なり、ペア内の2人のユーザ間でも異なるため、非対称なユーザーペアリングの必要性が強調された。
• 数値結果から、導出されたNOMA優位条件に基づくユーザ選択が、ランダムなユーザーピアリングに比べて周波数効率が顕著に向上することが示された。
• 最適化されたユーザーペアリングによる性能向上は、特に下行リンクNOMAで顕著であり、これは電力割り当て戦略がチャネル状態が悪いユーザを優遇するためである。
• マルチセルNOMAにおいて、セルエッジユーザに特に顕著な課題となるセル間干渉は依然として深刻な問題であり、高度な干渉協調および基地局間連携が不可欠である。
• 今後の研究は、動的クラスタリング、ハイブリッドNOMA-OMA運用、クロスレイヤ設計に焦点を当て、密なネットワークにおける信頼性およびスケーラビリティの向上を図るべきである。