[論文レビュー] Sparse or Dense: A Comparative Study of Code-Domain NOMA Systems

Zilong Liu, Lie‐Liang Yang|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 42被引用数 11

ひとこと要約

この論文は、レーキングフェージングチャネルにおけるコードドメインNOMAシステムにおけるスパースコード多重アクセス（SCMA）とドレインコード多重アクセス（DCMA）を比較し、DCMAがコードブックのスパarsityに制限されないフルダイバーシティオーダー（DO）を達成することを示している。一般化球デセーディングを用いることで、DCMAは同等のデコーディング複雑性でSCMAよりも顕著に優れた誤り率性能を達成する。

ABSTRACT

This paper is focused on code-domain non-orthogonal multiple access (CD-NOMA), which is an emerging paradigm to support massive connectivity for future machine-type wireless networks. We take a comparative approach to study two types of overloaded CD-NOMA, i.e., sparse code multiple access (SCMA) and dense code multiple access (DCMA), which are distinctive from each other in terms of their codebooks having sparsity or not. By analysing their individual diversity orders (DO) in Rayleigh fading channels, it is found that DCMA can be designed to enjoy full DO which is equal to the maximum number of resource nodes in the system. This is in contrast to SCMA whose error rate suffers from limited DO equal to the codebook sparsity (i.e., the effective number of resource nodes occupied by each user). We conduct theoretical analysis for the codebook design criteria and propose to use generalized sphere decoder for DCMA detection. We numerically evaluate two types of multiple access schemes under "4x6" (i.e., six users communicate over four subcarriers) and "5x10" NOMA settings and reveal that DCMA gives rise to significantly improved error rate performance in Rayleigh fading channels, whilst having decoding complexity comparable to that of SCMA.

研究の動機と目的

• レイリーフェージングチャネル下でのコードドメインNOMAシステムにおけるスパースコード多重アクセス（SCMA）とドレインコード多重アクセス（DCMA）の性能を比較すること。
• SCMAとDCMAのダイバーシティオーダー（DO）を分析・対比し、コードブックのスパarsityに起因するSCMAの根本的制限を特定すること。
• DCMAのフルDOポテンシャルを活用するための有効な検出手法として一般化球デセーディング（GSD）を提案すること。
• 4×6および5×10のような実際のNOMA設定下での誤り率性能とデコーディング複雑性を評価すること。
• 最小積距離および単一誤り対応誤り確率（PEP）の観点から、DCMAおよびSCMAにおける最適なコードブック設計を同定すること。

提案手法

• レイリーフェージングチャネルにおけるSCMAおよびDCMAのダイバーシティオーダー（DO）を導出するため、対応誤り確率（PEP）の理論的分析を実施する。
• DCMAの非線形検出技術として一般化球デセーディング（GSD）を提案し、単入力単出力（SISO）検出に適した変種としてSTS-GSDを導入する。
• 最小積距離（MPD）を最大化する基準に基づきコードブック設計基準を導出する。M=4の場合、ユニモジュラー系列がDCMAに対して最適であることが示された。
• SCMAの場合、ユニモジュラー低密度系列（LDS）が単一誤りPEP性能において最適であることが特定された。
• OFDMベースのCD-NOMAシステムを用いた数値的シミュレーションを実施し、ビット誤り率（BER）、ブロック誤り率（BLER）、および計算複雑性を4×6および5×10の設定で比較する。
• FLOPs/log₂Mシンボル単位の正規化複雑性を用いて、DCMAのSTS-GSDとSCMAのメッセージパッシングアルゴリズム（MPA）を比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 レイリーフェージングチャネルにおけるSCMAおよびDCMAのダイバーシティオーダー（DO）は何か？ また、コードブックのスパarsityはDOにどのように影響するか？
• RQ2 DCMAはすべてのサブキャリアに信号を拡散させることでフルダイバーシティオーダーを達成できるか？ それに対してSCMAの制限されたDOと比較するとどうなるか？
• RQ3 レイリーフェージング下でのDCMAにおける最小積距離の観点から最適なコードブック設計は何か？
• RQ4 誤り率および複雑性の観点から、一般化球デセーディング（GSD）とメッセージパッシングアルゴリズム（MPA）の性能はどのように比較できるか？
• RQ5 大規模NOMAシステムにおいて、DCMAとSCMAの誤り率性能とデコーディング複雑性のトレードオフは何か？

主な発見

• DCMAは、リソースノード（例：サブキャリア）の最大数に等しいフルダイバーシティオーダー（DO）を達成するが、SCMAのDOはコードブックのスパarsity（d_v）に制限され、誤り率性能が制限される。
• レイリーフェージングチャネルにおいて、ユニモジュラー系列を用いたDCMAは最大の最小積距離を達成し、M=4の場合に最適である。
• SCMAの場合、ユニモジュラー低密度系列（LDS）が最良の単一誤り対応誤り確率（PEP）を達成し、最適性が確認された。
• 数値的結果から、4×6および5×10の両方のNOMA設定において、DCMAはBERおよびBLERの観点でSCMAを顕著に上回ることが示された。
• 4×6設定では、DCMAのSTS-GSDの正規化複雑性はSCMAのMPAの約35％にとどまり、5×10設定では約33％高いが、優れた性能を実現するにもかかわらず複雑性は同等である。
• DCMAのESE-LMMSE検出器は、スループットが2を超えると収束しないため、高スループットDCMAシステムではGSDのような非線形検出が重要であることが示された。