[論文レビュー] Coordinated Multi-Point (CoMP) Transmission in Downlink Multi-cell NOMA Systems: Models and Spectral Efficiency Performance

Md Shipon Ali, Ekram Hossain+1 more|arXiv (Cornell University)|Mar 27, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、各セルにおける分散型パワー割り当てを用いた、下行マルチセル非直交多重アクセス（NOMA）システム向けの連携マルチポイント（CoMP）伝送フレームワークを提案する。共同送信CoMP-NOMAは、複数セルにまたがるCoMPユーザーに対する同時送信を可能にするとともに、逐次干渉キャンセレーション（SIC）復調順序を維持することで、CoMP-OMAに比べ最大30%高いスペクトル効率向上を達成することを示している。

ABSTRACT

We outline a general framework to use coordinated multi-point (CoMP) transmission technology in downlink multi-cell non-orthogonal multiple access (NOMA) systems considering distributed power allocation at each cell. In this framework, CoMP transmission is used for users experiencing strong receive-signals from multiple cells while each cell adopts NOMA for resource allocation to its active users. After a brief review of the working principles of different CoMP schemes, we identify their applicability and necessary conditions for their use in downlink multi-cell NOMA system. After that, we discuss different network scenarios with different spatial distributions of users and study the applicability of CoMP schemes in these network scenarios. To the end, a numerical performance evaluation is carried out for the proposed CoMP-NOMA systems and the results are compared with those for conventional orthogonal multiple access (OMA)-based CoMP systems. The numerical results quantify the spectral efficiency gain of the proposed CoMP-NOMA models over CoMP-OMA. Finally, we conclude this article by identifying the potential major challenges in implementing CoMP-NOMA in future cellular systems.

研究の動機と目的

• 電力ドメイン多重アクセスによる干渉の強いセルエッジユーザーに起因する、下行マルチセルNOMAシステムにおけるセル間干渉の課題に対処すること。
• CoMP伝送をNOMAと統合することで、分散型各セルパワー割り当てを維持したままマルチセル環境におけるスペクトル効率を向上させること。
• さまざまなCoMP方式（例：協調ビームフォーミング、共同送信）がNOMAベースのマルチセルネットワークに適用可能な条件と性能トレードオフを同定すること。
• 現実的なネットワーク展開シナリオ下で、CoMP-NOMAが従来のCoMP-OMAシステムに比べて得られるスペクトル効率の向上を定量すること。
• 最適な復調順序選択、CSIフィードバック、SIC誤差伝播といった、将来の5G/B5GネットワークにおけるCoMP-NOMA展開における主な実装課題を強調すること。

提案手法

• 各基地局（BS）がチャネル利得に基づき、SIC制約下でスルーレート合計を最大化するように、自身のNOMAユーザーに対して分散型パワー割り当てを実行する下行マルチセルNOMAシステムを定式化する。
• 複数セルからの強い信号を受信するユーザーをCoMPユーザーとして特定し、CoMP集合に割り当てる。非CoMPユーザーは単一セル送信によりサービス供与する。
• CoMPユーザーに異なるCoMP送信方式（共同送信（JT）、協調ビームフォーミング（CB）、協調スケジューリング（CS））を適用する。JTでは、同じスペクトル上で同時に送信が可能である。
• NOMAクラスタ形成をモデル化し、各協調セルにおいてCoMPユーザーが非CoMPユーザーとNOMAクラスタを形成するようにし、チャネル利得に基づくSIC復調順序を維持する。
• 各セルごとの動的パワー割り当てを用いてスペクトル効率を最大化し、最小レート要件を満たすとともにSIC復調順序を保持するようにパワーレベルを調整する。
• 均一および非均一な展開を含む、さまざまなユーザー配置およびネットワークシナリオにおいて、CoMP-NOMAとCoMP-OMAのスペクトル効率を比較する数値シミュレーションを実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 分散型パワー割り当てを伴う下行マルチセルNOMAシステムにおいて、さまざまなCoMP方式（例：JT、CB、CS）が適用可能となる条件とその適用可能性は何か？
• RQ2 共同送信CoMP-NOMAは、CoMP-OMAに比べて、他のCoMP-NOMA方式に比べてスペクトル効率向上にどの程度寄与するか？
• RQ3 ユーザーの空間的配置とチャネル利得の変動が、CoMP-NOMAシステムの性能に与える影響は何か？
• RQ4 CoMP-NOMAにおけるNOMAクラスタ内の復調順序は、単一セルNOMAと比べてどのように異なるのか？また、パワー割り当てに与える影響は何か？
• RQ5 特に非均一およびMIMO対応環境を想定した場合、将来の5G/B5GネットワークにCoMP-NOMAを展開するにあたり、主な実装課題は何か？

主な発見

• 共同送信CoMP-NOMAは、協調するセル間でスペクトルを完全に再利用できるため、CoMP-OMAに比べ最大30%高いスペクトル効率向上を達成する。
• CoMP方式の中で、JT-CoMP-NOMAが最大の性能向上をもたらす。これは、すべてのCoMPユーザーが同じリソースブロック上で複数のセルから同じデータストリームを受信できるからである。
• 協調ビームフォーミングおよび協調スケジューリングのCoMP-NOMA方式では、CoMPユーザー間でリソースを直交的に割り当てる必要があるため、JTに比べスペクトル効率の向上が制限される。
• CoMP-NOMAクラスタにおける最適な復調順序の特定は自明ではなく、2セルを超えるCoMP集合や複数のCoMPユーザーが存在する場合には、全探索が計算的に非現実的になる。
• SICベースの誤差伝播は、NOMAにおいて依然として深刻な課題であり、特にヘテロジニアスネットワーク（HetNets）におけるマクロセル干渉が小セルユーザーのSICを妨げる場合に顕著である。
• 同周波数のヘテロジニアスネットワーク（HetNets）では、強いセル間干渉のためNOMAユーザーが信号を復調・キャンセルできず、CoMPが代替的だが複雑な解決策となる可能性がある。