[論文レビュー] Application of Non-orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks

Zhiguo Ding, Yuanwei Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 27, 2015

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 12被引用数 45

ひとこと要約

本稿では、LTEおよび5Gネットワークにおけるスペクトル効率の向上技術として、非直交多重アクセス（NOMA）を提案している。NOMAは、電力ドメイン多重化と逐次干渉キャンセレーション（SIC）を用いて、複数ユーザーの同時送信を可能にする。本稿では、特に異種のチャネル条件下において、従来の直交多重アクセス（OMA）と比較して、NOMAが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ことを示している。

ABSTRACT

As the latest member of the multiple access family, non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recently proposed for 3GPP Long Term Evolution (LTE) and envisioned to be an essential component of 5th generation (5G) mobile networks. The key feature of NOMA is to serve multiple users at the same time/frequency/code, but with different power levels, which yields a significant spectral efficiency gain over conventional orthogonal MA. This article provides a systematic treatment of this newly emerging technology, from its combination with multiple-input multiple-output (MIMO) technologies, to cooperative NOMA, as well as the interplay between NOMA and cognitive radio. This article also reviews the state of the art in the standardization activities concerning the implementation of NOMA in LTE and 5G networks.

研究の動機と目的

• LTEおよび5Gネットワークにおける従来の直交多重アクセス（OMA）のスペクトル効率の制限を解決すること。
• 電力ドメイン多重化を用いて、時間、周波数、コード領域において複数ユーザーの同時アクセスを実現すること。
• 異なるチャネル状態を持つユーザーを一度の送信でサービス提供することで、システムの公平性とスループットを向上させること。
• MIMO、認知的無線、協調リレーリングといった新技術とNOMAを統合し、性能を向上させること。
• 標準化の進捗をレビューし、実用的なNOMA導入に向けた主要な研究的課題を特定すること。

提案手法

• 基地局でスーパーポジション・コーディングを用い、異なる電力レベルで同じリソースブロックに複数ユーザーの信号を送信する。
• ユーザー端末で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実装し、チャネル利得が強いユーザーが最初に弱いユーザーの信号を復調・減算する。
• 弱いチャネル状態にあるユーザーに高い電力を割り当てることで、信頼性の高い検出を保証する電力割り当て方針を適用する。
• 空間多重化とビームフォーミングを活用することで、MIMOとNOMAを統合し、スペクトル効率と信頼性を向上させる。
• チャネル状態が良好なユーザーが中継者として機能する協調NOMAプロトコルを設計し、チャネル品質が悪いユーザーのカバレッジと信頼性を向上させる。
• OFDMAとNOMAを組み合わせたハイブリッド多重アクセス方式を検討し、特にチャネル利得の差が大きい状況で有効であることを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 5GおよびLTEネットワークにおいて、従来のOMAと比較してNOMAはどのようにスペクトル効率とユーザーの公平性を向上させるか？
• RQ2 システムスループットと公平性を最大化するための、マルチユーザーNOMAシステムにおける最適な電力割り当ておよびユーザーペアリング戦略は何か？
• RQ3 MIMOおよびビームフォーミングと効果的に統合することで、NOMAはどのようにスペクトル効率と信頼性を向上させるか？
• RQ4 ユーザー協調は、特にチャネル品質が悪いユーザーに対して、NOMAシステムの性能をどのように向上させるか？
• RQ5 不完全なチャネル状態情報（CSI）とフィードバック制約はNOMAの性能にどのように影響を与え、その影響を軽減するための解決策は何か？

主な発見

• NOMAは、異なるチャネル状態を持つユーザーが同じ時間周波数リソースブロックを共有できるため、OMAと比較して高いスペクトル効率を達成する。特に、チャネル状態の差が大きい場合に顕著である。
• 逐次干渉キャンセレーション（SIC）により、チャネル利得が強いユーザーが弱いユーザーの信号を復調・削除でき、両方の信号の信頼性ある検出が可能になる。
• 協調NOMAは、チャネル状態が良好なユーザーを中継者として活用することで、セルエッジユーザーのカバレッジと信頼性を向上させる。
• 3GPP-LTE-AにおけるMUST（マルチユーザースーパーポジション伝送）のようなハイブリッド多重アクセス方式は、実ネットワークにおけるNOMAの実用的導入を示している。
• MIMO-NOMAシステムにおいて、ユーザーペアリング、電力割り当て、ビームフォーミングの共同最適化は、スペクトル効率とエネルギー効率を顕著に向上させるが、計算複雑性の増加を伴う。
• 不完全なCSIと限られたフィードバックであっても、ユーザーのチャネル順序のみをフィードバックすれば、オーバーヘッドを低減しつつ性能を維持できるため、NOMA性能への影響は顕著ではない。