[論文レビュー] Resource Management in Non-orthogonal Multiple Access Networks for 5G and Beyond

Lingyang Song, Yonghui Li+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 11被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、5Gおよびそれ以降のネットワークにおける非直交多重アクセス（NOMA）のためのゲーム理論的無線リソース管理フレームワークを提案する。本研究では、パワー・ドメインおよびコード・ドメインNOMAの両方をカバーしており、非協力的・協力的・マッチング・コンテスト制御ゲームを導入することで、ユーザーのペアリング、パワー割り当て、サブキャリア割り当てを最適化し、高干渉および多数の接続を持つ環境下でもスペクトル効率とユーザーの公平性を顕著に向上させる。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes have been proposed for the next generation of mobile communication systems to improve the access efficiency by allowing multiple users to share the same spectrum in a non-orthogonal way. Due to the strong co-channel interference among mobile users introduced by NOMA, it poses significant challenges for system design and resource management. This article reviews resource management issues in NOMA systems. The main taxonomy of NOMA is presented by focusing on the following two categories: power-domain NOMA and code-domain NOMA. Then a novel radio resource management framework is presented based on game-theoretic models for uplink and downlink transmissions. Finally, potential applications and open research directions in the area of resource management for NOMA are provided.

研究の動機と目的

• 5Gのスモールセルネットワークにおける共周波数干渉とスペクトル効率の課題に取り組む。
• 高密度ユーザー環境と限られたスペクトル帯域幅に対応できない直交多重アクセス（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NOMAの両方を統合的に扱う一貫性のある無線リソース管理フレームワークを開発する。
• 上行リンクおよび下行リンクのNOMAシステムにおいて、ゲーム理論的モデルを用いて効率的でスケーラブルかつ公平なリソース割り当てを実現する。
• 将来のネットワーク進化に向けたオープンな研究課題、例えばハイブリッドNOMA、MIMO-NOMA、協力的NOMA、認知NOMAを検討する。

提案手法

• 上行リンクNOMAにおける非協力的パワー制御ゲームを用いたゲーム理論的フレームワークを提案し、パワー割り当てとユーザー集団の最適化を図る。
• 下行リンクPD-NOMAにおける協力的ゲームを適用し、協力的なユーザークラスタリングとサブキャリア割り当てを可能にする。
• 下行リンクCD-NOMAにおけるマッチングゲームを用いて、チャネル品質と干渉制約に基づいて効率的なユーザーペアリングを実現する。
• 上行リンクCD-NOMAにおけるコンテスト制御ゲームを導入し、コンテスト窓の長さを動的に調整することで衝突を解消する。
• 進化的ゲームを用いてハイブリッドNOMAをモデル化し、チャネル状態と報酬最大化に基づいてユーザーがOMAまたはNOMAモードを切り替えることを可能にする。
• 協力的NOMAおよび認知NOMAの状況において、共同パワーおよびスペクトラム割り当てを最適化するため、オークションゲームとスタックルバーゲームを活用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ゲーム理論的モデルは、NOMAの上行リンクおよび下行リンク伝送におけるパワーおよびサブキャリア割り当てを最適化するためにどのように効果的に適用可能か？
• RQ2 スペクトル効率と公平性を最大化するために、PD-NOMAおよびCD-NOMAにおける最適なユーザーペアリングおよびグループ化戦略は何か？
• RQ3 逐次干渉キャンセレーション（SIC）とゲーム理論的リソース調整を組み合わせることで、非直交ユーザー多重に起因する干渉をどのように管理できるか？
• RQ4 チャネル状態に応じてOMAとNOMAを動的に切り替えるハイブリッドNOMAシステムの性能向上と設計上の課題は何か？
• RQ5 協力的および認知無線の原則をNOMAに統合することで、スペクトル効率を向上させるとともに、多様なQoS要件を満たすにはどうすればよいか？

主な発見

• 非協力的および協力的ゲームを用いたPD-NOMAにおけるゲーム理論的リソース割り当てにより、上行リンクおよび下行リンクでスペクトル効率とユーザーの公平性が向上する。
• CD-NOMAにおけるマッチングゲームにより、ユーザーのチャネル品質とリソースの可用性を一致させることで、効率的なユーザーペアリングが実現され、干渉が低減され、スルーレットが向上する。
• 上行リンクCD-NOMAにおけるコンテスト制御ゲームにより、コンテスト窓の長さを繰り返し調整することで、衝突問題が効果的に解消され、アクセス成功確率が向上する。
• 進化的ゲームモデルは、ハイブリッドNOMAがチャネルゲインと報酬に基づいて個々のユーザーに対して最適な多重アクセスモード（OMAまたはNOMA）を動的に選択できることを示しており、複雑さを低減しつつ性能を維持する。
• 協力的NOMAにおけるスタックルバーゲームとオークションゲームにより、リレーサービスを効率的に行うため、リレーをオークショーマスターとしてモデル化し、送信元を入札者として扱い、パワーおよびスケーラム割り当てを最適化できる。
• コントラクトゲームを用いた認知NOMAにより、インcentive-compatibleな支払いメカニズムを通じてプライマリおよびセカンダリユーザー間の協力が可能となり、スケーリング効率と干渉制御が向上する。