[論文レビュー] Spectrum Sharing for 6G Integrated Satellite-Terrestrial Communication Networks Based on NOMA and Cognitive Radio

Xin Liu, Kwok‐Yan Lam+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2021

Satellite Communication Systems参考文献 14被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、6G統合衛星地上無線ネットワーク（ISTCN）におけるスペクトル効率の向上と普遍的接続性の実現を目的として、CR-NOMAハイブリッドスペクトル共有フレームワークを提案する。非直交多重アクセス（NOMA）によるマルチユーザー多重化と認知無線（CR）による動的スペクトルアクセスを組み合わせることで、空き帯域と使用中帯域の両方を同時に共有可能となり、パワー・ドメイン多重化と逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いた干渉管理により、システム容量が向上する。

ABSTRACT

The explosive growth of bandwidth hungry Internet applications has led to the rapid development of new generation mobile network technologies that are expected to provide broadband access to the Internet in a pervasive manner. For example, 6G networks are capable of providing high-speed network access by exploiting higher frequency spectrum; high-throughout satellite communication services are also adopted to achieve pervasive coverage in remote and isolated areas. In order to enable seamless access, Integrated Satellite-Terrestrial Communication Networks (ISTCN) has emerged as an important research area. ISTCN aims to provide high speed and pervasive network services by integrating broadband terrestrial mobile networks with satellite communication networks. As terrestrial mobile networks began to use higher frequency spectrum (between 3GHz to 40GHz) which overlaps with that of satellite communication (4GHz to 8GHz for C band and 26GHz to 40GHz for Ka band), there are opportunities and challenges. On one hand, satellite terminals can potentially access terrestrial networks in an integrated manner; on the other hand, there will be more congestion and interference in this spectrum, hence more efficient spectrum management techniques are required. In this paper, we propose a new technique to improve spectrum sharing performance by introducing Non-orthogonal Frequency Division Multiplexing (NOMA) and Cognitive Radio (CR) in the spectrum sharing of ISTCN. In essence, NOMA technology improves spectrum efficiency by allowing different users to transmit on the same carrier and distinguishing users by user power levels while CR technology improves spectrum efficiency through dynamic spectrum sharing. Furthermore, some open researches and challenges in ISTCN will be discussed.

研究の動機と目的

• 衛星網と地上網を統合することで、6Gにおける普遍的で高容量な接続性を満たす。
• 衛星網と地上網の間で共有されるミリ波帯域（例：26–40 GHz）におけるスペクトル不足と干渉の課題を克服する。
• 高度な多重アクセス技術と動的スペクトル共有により、統合衛星地上無線ネットワークにおけるスペクトル効率とシステム容量を向上させる。
• スマートシティ、IoT、インダストリー4.0 やV2Xなどの重要な応用分野を含む、シームレスで、あらゆる天候・地域でのカバーを実現する。
• プライマリユーザーへの干渉を最小限に抑えつつ、空き帯域と使用中帯域の両方へのアクセスを可能にする統一されたスペクトル共有フレームワークを構築する。

提案手法

• パワー・ドメイン多重化により、複数ユーザーが同じ周波数帯域を共有できるように非直交多重アクセス（NOMA）を統合する。
• 認知無線（CR）技術を適用し、許可された地上帯域に対する動的スペクトルセンシングと機会的アクセスを可能にする。
• 受信機で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実装し、信号の強度に応じた順序で信号を復調・キャンセレーションする。
• 非連続OFDM（NC-OFDM）を導入し、非連続な空きサブキャリアを集約して、CR-NOMAにおける広帯域伝送を実現する。
• 必要に応じて衛星信号を最初に復調・キャンセレーションすることで、地上通信の性能を優先する統合的スペクトル共有戦略を実装する。
• マルチビーム衛星システムにおけるエッジユーザーの間接的干渉とマルチユーザー干渉を低減するため、公平なNOMAグループ化方式を提案する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAとCRをどのように統合的に適用することで、統合衛星地上無線ネットワークにおけるスペクトル利用を最大化できるか？
• RQ2 CR-NOMAにおける最適な信号復調順序は何か？ これは干渉管理とユーザー間公平性のバランスを取るために重要である。
• RQ3 LEO衛星システムにおいて、伝搬損失、遮蔽、移動性の影響を受けても、正確なスペクトルセンシングをどのように達成できるか？
• RQ4 衛星チャネルにおける深さの fading とノイズ環境下で、SICの性能を向上させる受信機設計技術は何か？
• RQ5 6Gコアネットワーク機能を衛星セグメントとどのように統合することで、グローバルなシームレス接続性を実現できるか？

主な発見

• 提案されたCR-NOMAフレームワークにより、衛星ユーザーと地上ユーザーが空き帯域と使用中帯域の両方を共有できるフルスペクトルアクセスが可能になる。
• NOMAは従来のOMAと比較してスペクトル効率を5～15倍向上させ、システム容量が顕著に増加する。
• SICに基づく信号復調により、高パワーのユーザーを最初に復調することで、ユーザー間干渉が著しく低減される。
• 大気の fading と衛星センシング能力の制限、特にLEOシステムにおいては、正確なスペクトルセンシングが依然として課題である。
• ビーム間干渉とマルチユーザー干渉がエッジユーザーの性能を劣化させるため、低出力ユーザーを優先する公平なNOMAグループ化戦略の導入が不可欠である。
• 不完全なSICにおける誤り伝搬を低減するため、適応フィルタリングと弱信号検出技術を用いた耐障害性の高い衛星受信機設計が不可欠である。