[論文レビュー] OTFS-NOMA: An Efficient Approach for Exploiting Heterogenous User Mobility Profiles

Zhiguo Ding, Robert Schober+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2019

PAPR reduction in OFDM被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、直交時間周波数空間（OTFS）変調と非直交多重アクセス（NOMA）を統合的に活用することで、高速移動および低速移動のユーザーを同時に支援する、新たな多重アクセス方式であるOTFS-NOMAを提案する。高速移動ユーザーを遅延-Doppler領域に割り当て、低速移動ユーザーを時間周波数領域に割り当てる。これにより、スペクトル効率が向上し、OTFSの分解能が向上することで検出の信頼性が向上し、多径および多ユーザー分散性が実現され、上行リンクおよび下行リンクの両方において両ユーザー種別に利点をもたらす。

ABSTRACT

This paper considers a challenging communication scenario, in which users have heterogenous mobility profiles, e.g., some users are moving at high speeds and some users are static. A new non-orthogonal multiple-access (NOMA) transmission protocol that incorporates orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is proposed. Thereby, users with different mobility profiles are grouped together for the implementation of NOMA. The proposed OTFS-NOMA protocol is shown to be applicable to both uplink and downlink transmission, where sophisticated transmit and receive strategies are developed to remove inter-symbol interference and harvest both multi-path and multi-user diversity. Analytical results demonstrate that both the high-mobility and low-mobility users benefit from the application of OTFS-NOMA. In particular, the use of NOMA allows the spreading of the high-mobility users' signals over a large amount of time-frequency resources, which enhances the OTFS resolution and improves the detection reliability. In addition, OTFS-NOMA ensures that low-mobility users have access to bandwidth resources which in conventional OTFS-orthogonal multiple access (OTFS-NOMA) would be solely occupied by the high-mobility users. Thus, OTFS-NOMA improves the spectral efficiency and reduces latency.

研究の動機と目的

• 1つの無線アクセスフレーム内で、高速移動および静止ユーザーという異種の移動度プロファイルを持つユーザーを効果的に支援する課題に対処すること。
• 従来のOTFS-OMAにおけるスペクトル非効率性を克服すること。OTFS-OMAでは、分解能の要請により高速移動ユーザーが時間周波数リソースを独占する。
• OTFSにおける遅延-Dopplerおよび時間周波数ドメイン多重化を活用することで、OTFSにおけるNOMAを実現する統合的送受信プロTOCOLの開発。
• 二重分散チャネルにおける多径分散性および多ユーザー分散性を活用することで、信頼性およびスペクトル効率を向上させること。
• 符号間干渉および多重アクセス干渉を抑制するための、周波数ドメインイコライザを含む、強固な送受信戦略の設計。

提案手法

• 提案されたOTFS-NOMAプロTOCOLは、OTFS変調を用いて高速移動ユーザーを遅延-Doppler領域にグループ化し、低速移動ユーザーはOFDMに類似したシグナリングにより時間周波数領域でサービスを提供する。
• ハイブリッド多重アクセス戦略を実装：高速移動ユーザーはパワー領域NOMAにより遅延-Doppler領域で多重化され、低速移動ユーザーは時間周波数領域で多重化される。
• 遅延-Doppler領域における符号間干渉を低減するため、高度なイコライジング技術—周波数ドメインゼロフォーシング線形イコライザ（FD-LE）および決定フィードバックイコライザ（FD-DFE）—が設計される。
• 上行リンクおよび下行リンクの両方において、多重アクセス干渉を抑制し、アウトージ確率を改善するために、パワーおよびレート割り当てポリシーが最適化される。
• 遅延-Doppler領域におけるチャネルタップのスパarsityを活用することで多径分散性を実現し、ユーザー間のチャネルゲイン差を活用することで多ユーザー分散性を実現する。
• 有効チャネルゲインの複素ガウス近似に基づく解析的モデルが導出され、ベクトル化およびクロネッカー積の恒等式を用いて境界が確立される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 OTFS-NOMAは、スペクトル効率を損なうことなく、1つの送信フレーム内で高速移動および低速移動ユーザーを効果的にサービス可能か？
• RQ2 NOMAのOTFSへの統合は、従来のOTFS-OMAと比較して、高速移動ユーザーの検出信頼性をどのように向上させるか？
• RQ3 NOMAを用いて高速移動ユーザーの信号を時間周波数リソースに分散させることで、OTFS分解能およびチャネル推定精度にどのような影響を与えるか？
• RQ4 周波数ドメインイコライザ（FD-LEおよびFD-DFE）は、二重選択的フェージング下で遅延-Doppler領域における符号間干渉をどのように低減するか？
• RQ5 混合移動度環境下におけるOTFS-NOMAの分散利得およびアウトージ性能は何か？また、従来のNOMAやOTFS-OMAと比較してどのように差がつくか？

主な発見

• 提案されたOTFS-NOMA方式は、アウトージ確率の上界および下界がともに1/ρに比例することから、分散次数が1に達しており、完全な分散利得が得られていることが確認された。
• NOMAによる信号の多数の時間周波数リソースへの分散により、高速移動ユーザーはOTFS分解能が向上し、検出の信頼性が向上する。
• 低速移動ユーザーは、OTFS-OMAでは高速移動ユーザーが独占するはずの帯域リソースにアクセス可能となり、スペクトル効率が向上する。
• NOMAの活用により、高速移動ユーザーは専用の時間周波数リソースを必要とせず、通信の信頼性を維持できるため、遅延が低減され、システムの公平性が向上する。
• 導出されたアウトージ確率の境界は、SNRに伴い良好にスケーリングされ、上界および下界ともに同じ分散次数を示している。
• ブロック巡回構造に起因する遅延-Dopplerチャネルゲインの相関を分析で考慮し、すべてのサブキャリアおよびシンボルにおけるユニオンバウンドを用いてアウトージ確率の上界が確立されている。