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非直交多元接続(NOMA)

慶應義塾大学理工学部電子工学科 眞田研究室 4年 安藤 健二

背景

通信に使うことのできる周波数帯域は限られているため，増加するトラ フィックに対し帯域利用効率のよい多元接続方式が求められる 82.2 105.2 123.5 154.6 181.3 234.8 274.3 328.9 349.0 422.0 469.8 546.4 586.2 0 100 200 300 400 500 600 700 H 22. 12 H 23. 03 H 23. 06 H 23. 09 H 23. 12 H 24. 03 H 24. 06 H 24. 09 H 24. 12 H 25. 03 H 25. 06 H 25. 09 H 25. 12 (Gbps) 月間平均トラフィック 709 883 1018 1251 1430 1799 2063 2425 2528 2985 3276 3751 3965 0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 H 2 2 .1 2 H 2 3 .0 3 H 2 3 .0 6 H 2 3 .0 9 H 23 .1 2 H 2 4 .0 3 H 2 4 .0 6 H 2 4 .0 9 H 2 4 .1 2 H 25 .0 3 H 2 5 .0 6 H 2 5 .0 9 H 2 5 .1 2 (bps) １加入者あたり 平均トラフィック １年で １．５７倍 に増加 125.5 157.1 180.6 227.9 270.0 350.2 417.9 487.7 522.9 623.2 712.7 823.3 869.5 0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 H 22 .1 2 H 23 .0 3 H 2 3 .0 6 H 2 3 .0 9 H 2 3 .1 2 H 2 4 .0 3 H 2 4 .0 6 H 2 4 .0 9 H 2 4 .1 2 H 2 5 .0 3 H 2 5 .0 6 H 2 5 .0 9 H 2 5 .1 2 (Gbps) 最繁時トラフィック （２３時台の平均トラフィック） １年で １．６６倍 に増加 １年で １．６８倍 に増加 [1]

多元接続方式と移動通信システムの世代

増加するトラフィックに対して各世 代の移動通信システムは，より帯 域利用効率のよい多元通信方式 を採用してきた FDMA – 周波数軸 TDMA – 時間軸 CDMA – 符号 OFDMA – 直交性 帯域利用 効率 大 1G 2G 3G 3.9G 非直交 – パワー軸 さらなる帯域利用効率の向上のた めに，パワー軸上での通信の多元 化を考える 多元接続方式の帯域利用効率と移動通信システムの世代推移

OFDMA

(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 直交周波数分割多元接続  多数の直交する搬送波を変調し重ね合わせる  搬送波間の直交性を利用してデータシンボルを取り出す  周波数と時間によってユーザーに割り当てられるサブ キャリアが動的に変化することで、多数のユーザーが同 時に通信できる OFDMAの ユーザーの割り当て 周波数 時間 [2] [2] ユーザー1 ユーザー2 ユーザー3

非直交多元接続

 パワー軸で異なるパワーの信号を重ね合わせ 一つの周波数帯域を複数のユーザーに割り当てる方式 OFDMA 非直交多元接続  周波数軸ではOFDMAを用いる  パワー軸では送信機で事前に各信号のパワーの大きさを割り当て 重ね合わせた信号を送信する  一つの周波数帯域を複数のユーザーが使うことで限られた 周波数帯域の有効利用が可能 周波数軸におけるユーザーへのチャネルの割り当て [3] Freq. Freq. ユーザー1 ユーザー2 ユーザー3 ユーザー4 ユーザー5

NOMA with SIC

(Non-Orthogonal Multiple Access with successive interference cancellation)

逐次干渉除去(SIC)をもちいた非直交多元接続  SN比の異なる端末に対しパワー軸で重ね合わせた信号を送り 受信機で順々に干渉除去を行うことで所望の信号を取り出す 端末2への 信号をSIC 端末1への 信号を復調 大 小 端末のSN比 Freq. P o w e r Freq. P o w e r 端末2へ の信号 Noise SIC [3] 端末1 端末1へ の信号  SN比の大きい端末ではSICにより干渉を除去して復調， SN比の小さい端末では受信信号をそのまま復調する 端末2への 信号を復調 端末2 SN比の異なる端末でのNOMA信号の復調過程 Freq. P o w e r Freq. P o w e r 各過程における送受信信号のパワー 送信機 端末2へ の信号 端末1へ の信号

NOMA with MIMO

(Non-Orthogonal Multiple Access with Multiple Input and Multiple Output)

複数ユーザーにおいてMIMOを用いた非直交多元接続

 受信機に逐次干渉除去(SIC)と干渉抑制合成(IRC;

Interference Rejection Combining)の2つの干渉キャンセラ用 いて，他のユーザーとの干渉を抑制する  発信機は指向性を持った複数の信号電波ビームを発信する 端末4への 信号をSIC 端末3への 信号を復調 IRC IRC 端末4への 信号を復調 受信機でIRCとSICを適用するMＩMOを用いた NOMA信号の復調過程 [3] 端末3 端末4 IRC 端末2への 信号を復調 端末2 端末2への 信号をSIC 端末1への 信号を復調 IRC 端末1 大 小 端末のSN比 送信機

逐次干渉除去と干渉抑制合成

 逐次干渉除去 (SIC; successive interference cancellation)

 電波ビーム内での干渉を除去する

 送信信号はSN比の異なる端末に対しパワー軸で重ね合わ

せた信号であるので，逐次干渉除去することで所望の通信 信号を取り出すことができる

 干渉抑制合成 (IRC; Interference Rejection Combining)

 電波ビーム間での干渉を抑制する  受信機の複数アンテナで受信した信号を組み合わせること で干渉を抑制する干渉抑制合成をして，所望の電波ビーム の信号を取り出すことができる 自身と干渉源の空間相関が高いときは，性能が落ちる 送信機でランダムビームフォーミングを行い，空間多重する -8- [3] [3] [3] [4, 5]

ランダムビームフォーミング

 ビームフォーミング 端末のアンテナがある場所でさまざまな経路を通った電 波がちょうど強めあい，それ以外の場所では打ち消しあう ように電波の出し方を調整する  ランダムビームフォーミング 1. 送信機はあらかじめランダムにビームフォーミングを決定 し，参照信号をユーザー端末に送る 2. ユーザー端末は参照信号を用いて受信信号パワー対干 渉とSN比を測定する 3. ユーザー端末は送信機にフィードバックを返し，送信機は ビームに対してユーザースケジューリングを行い，信号を 送信する [6] [7]

参考文献

[1]“総務省 | 情報統計データベース 通信トラフィック 我が国の移動通信トラ ヒックの現状 概要,” (参照 2014-4-23). http://www.soumu.go.jp/johotsusintokei/field/data/gt010602.pptx [2]日経エレクトロニクス, “LTEのすべて 基本原理から実装技術, そして国別 周波数割り当てまで,” 日経BP社, pp.116-139, 2010.

[3]Y. Saito, Y. Kishiyama, A. Benjebbour, T. Nakamura, A. Li, K. Hiduchi, “Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access,” Vehicular Technology Conference (VTC Spring), 2013 IEEE 77th_{, pp. 1-5, Jun. 2013.}

[4]P. Viswanath, D.N.C. Tse, and R. Laroia, “Opportunistic beamfoming using dumb antennas,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 48, no. 6, pp.1277-1294, Jun. 2002.

[5]M. Sharif and B. Hassibbi, “On the capacity of MIMO broadcast channels with partial side information,” IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 2, pp. 506-522, Feb. 2005.

参考文献

[6]“無線にゃん | ビームフォーミング,” (参照 2014-4-29) http://wnyan.jp/1236 [7]野中信秀, 樋口健一, “ランダムビームフォーミングを用いた基地局間連携マルチ ユーザMIMOの評価,” 電気情報通信学会東京支部学生会研究発表会, 2012. http://www.ieice.org/tokyo/gakusei/18/pdf/97.pdf

[8]A. Benjebbour, Y.Saito, Y. Kishiyama, A. Li, A. Harada, T. Nakamura, “Concept and Practical Considererations of Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for

Future Radio Access,” Intelligent Signal Processing and Communications Systems (ISPACS), 2013 International Symposium, pp. 770 – 774, Nov. 2013. [9]竹下鉄夫, 吉川英機, “通信工学,” コロナ社, pp.153-172, 2010.

[10]電子情報通信学会, “モバイルコミュニケーション,” コロナ社，2009. [11]日経コミュニケーション, “すべてわかる4G大全,” 日経BP, 2013.

[12]根日屋英之, 小川真紀, “ワイヤレスブロードバンド技術 - IEEE 802と4G携帯の展 開, OFDMとMIMOの技術-,” 東京電機大学出版局, 2006.