[論文レビュー] Energy-Efficient NOMA Enabled Heterogeneous Cloud Radio Access Networks

Fuhui Zhou, Yongpeng Wu+3 more|arXiv (Cornell University)|Jan 6, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用数 12

ひとこと要約

本稿では、クラウドベースのベースバンド処理とリモートラジオヘッドを統合することで、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させる、エネルギー効率的なNOMA搭載ハイブリッドクラウドラジオアクセスネットワーク（H-CRAN）フレームワークを提案する。NOMAをマスティブMIMO、CR、mmWave、無線充電、協調リレーリング、D2D通信と組み合わせることで、性能評価を通じて裏付けられた高システム容量とマスティブな接続性を実現し、エネルギー効率を向上させる。

ABSTRACT

Heterogeneous cloud radio access networks (H-CRANs) are envisioned to be promising in the fifth generation (5G) wireless networks. H-CRANs enable users to enjoy diverse services with high energy efficiency, high spectral efficiency, and low-cost operation, which are achieved by using cloud computing and virtualization techniques. However, H-CRANs face many technical challenges due to massive user connectivity, increasingly severe spectrum scarcity and energy-constrained devices. These challenges may significantly decrease the quality of service of users if not properly tackled. Non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes exploit non-orthogonal resources to provide services for multiple users and are receiving increasing attention for their potential of improving spectral and energy efficiency in 5G networks. In this article a framework for energy-efficient NOMA H-CRANs is presented. The enabling technologies for NOMA H-CRANs are surveyed. Challenges to implement these technologies and open issues are discussed. This article also presents the performance evaluation on energy efficiency of H-CRANs with NOMA.

研究の動機と目的

• マスティブな接続性と低遅延を備えた、エネルギー効率的で高容量な5Gネットワークの需要増加に対応する。
• スペクトル不足、エネルギー制限のあるデバイス、および密集するユーザー機器に起因する干渉といったH-CRANの課題を克服する。
• 従来の直交多重アクセス（OMA）を超えて、スペクトル効率およびエネルギー効率を向上させるために、H-CRANに非直交多重アクセス（NOMA）を統合する。
• H-CRANにおいてNOMAとマスティブMIMO、認知的無線（CR）、mmWave、D2D通信といった新技術を組み合わせた実現可能性と性能を調査する。
• 実用的な5GシステムへのH-CRANにおけるNOMAの実装に伴う主な技術的課題と未解決問題を同定する。

提案手法

• ベースバンド処理をBBUプールに集中化するNOMA搭載H-CRANのための新規フレームワークを提案し、リモートラジオヘッド（RRH）が電波信号の送受信を担当する。
• チャネルゲインの異なるユーザーに異なる電力レベルを割り当てることで、同じ周波数と時隙に複数ユーザーを同時にサービス提供するため、パワー・ドメインNOMAを活用する。
• ユーザー機器で逐次干渉キャンセレーション（SIC）を適用し、目的信号を復調するとともに、ユーザー間干渉を抑制する。
• 空間多重性利得をもたらすマスティブMIMO、スケジューリング共有を可能にする認知的無線（CR）、高帯幅リンクを提供するmmWave、エネルギー回収を可能にする無線充電といった支援技術を統合する。
• 不完全なチャネル状態情報（CSI）下でも、マスティブMIMO-NOMAシステムにおけるセル間干渉を低減するためのロバストなプレコーディング方式を設計する。
• エネルギー効率（EE）およびスペクトル効率（SE）の観点からシステム性能を評価し、従来のOMAベースのH-CRANと比較して性能向上を示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 H-CRANにNOMAを効果的に統合することで、マスティブな接続性を支援しながらエネルギー効率およびスペクトル効率をどのように向上できるか？
• RQ2 特にパイロット汚染および不完全なCSIを含め、H-CRANにおけるマスティブMIMOとNOMAを組み合わせる際の主な課題は何か？
• RQ3 認知的無線技術をNOMA H-CRANに活用することで、ライセンス取得済みユーザーを保護しつつ、動的スペクトル共有を実現するにはどうすればよいか？
• RQ4 方向性伝送を伴うmmWave H-CRANにおいて、マルチユーザーNOMAをサポートするためのビームフォーミングおよびリソース割り当て戦略は何か？
• RQ5 H-CRANにおいてNOMAと無線エネルギー回収およびD2D通信を統合する際、必要なセキュリティおよび干渉管理メカニズムは何か？

主な発見

• 提案されたNOMA H-CRANフレームワークは、従来のOMAベースのH-CRANと比較して、エネルギー効率およびスペクトル効率が顕著に向上している。
• NOMAとマスティブMIMOを統合することで、システム容量が向上し、マスティブな接続性が可能になるが、パイロット汚染および不完全なCSIが依然として重要な課題である。
• 認知的無線技術により、NOMA H-CRANにおける動的スペクトル共有が可能になるが、ライセンス取得済みユーザーを保護するための高度な干渉管理が必要である。
• NOMA H-CRANにおけるmmWave通信は高データレートを提供するが、パスロスおよび遮断問題を克服するための高度なビームフォーミングが求められる。
• NOMA H-CRANにおける無線充電は、RF信号がデータとエネルギーの両方の目的で使用されるため、セキュリティリスクを引き起こす可能性があり、安全な送信方式の導入が不可欠である。
• NOMA H-CRANにおける協調リレーリングおよびD2D通信は、性能と複雑さのバランスを取るために、最適化されたユーザーペアリングおよび電力割り当てが必要である。