Multi-/Uni-Cast Non-Orthogonal Multiple Access-Based INAC

技術概要：マルチ/ユニキャスト非直交多重アクセスに基づく統合航法・通信（INAC）

問題の定義
衛星通信および航法の急速な発展は、信頼性の高い通信と高精度な航法を同時に実現するために、これらの技術を単一のシステム内に統合する緊急の必要性を生み出している。時分割、周波数分割、または符号分割多重化などの従来のアプローチは、本質的な非効率性を抱えている。時分割多重化（TDM）は航法信号の不連続性を引き起こし、信号の捕捉を妨げ、測距性能を劣化させる。周波数分割多重化（FDM）は広帯域を消費し、符号分割多重化（CDM）は利用可能な拡散系列の数が限られているという制約を受ける。さらに、既存の統合航法・通信（INAC）に関する研究は、特に非直交多重アクセス（NOMA）フレームワークにおけるビット誤り率（BER）および測位精度に関する包括的な信号レベルの性能分析を欠いていることが多い。NOMA は INAC に対して提案されているが、干渉除去の実用的な解決策や、異なる電力割り当て戦略にわたる詳細な性能特性評価は、依然として未解明のままである。

手法
著者らは、マルチ/ユニキャスト非直交多重アクセス（MUC-NOMA）に基づく新規信号構造を提案する。このアーキテクチャでは、航法信号と通信信号が信号レベルにおいて共通の疑似雑音（PN）系列を共有する。システムは通信信号を 2 つの部分に分割する：一部（$\xi$）は航法信号と結合されて低レートなマルチキャスト信号を形成し、残部（$1-\xi$）は高レートなユニキャスト信号として送信される。これら 2 つのストリームは、NOMA 技術を用いて重畳される。

電力割り当て係数（マルチキャスト用$\beta_1$、ユニキャスト用$\beta_2$、ここで$\beta_1 + \beta_2 = 1$）に基づいて、2 つの異なる動作シナリオが定義される：

1. マルチキャスト指向（MO-INAC）： マルチキャスト信号により多くの電力が割り当てられる（$\beta_1 > \beta_2$）。
2. ユニキャスト指向（UO-INAC）： ユニキャスト信号により多くの電力が割り当てられる（$\beta_1 < \beta_2$）。

同チャネル干渉を軽減するため、受信機は逐次干渉除去（SIC）を採用する。信号処理アルゴリズムは、まず高電力の信号を復号し、それを再構成して受信信号から減算し、その後、低電力の信号を復号する。本論文は、航法信号および通信信号の両方の BER と測距精度（測位誤差）の閉形式式を導出するための統一された理論的枠組みを開発する。この分析は、1 つのマルチキャスト記号内に重畳されるユニキャスト記号の数（$M$）が干渉挙動を根本的に変化させる、DSSS 構造のレート分割特性を考慮している。

主要な貢献

• 信号アーキテクチャ： 本論文は、低レートなマルチキャスト信号と高レートなユニキャスト信号が同一の PN 系列上で重畳される、MUC-NOMA ベースの INAC 信号を提案する。これにより、航法と通信は、直接系列拡散スペクトル（DSSS）フレームワーク内において、ビットレベルで時間、周波数、コードリソースを共有できる。
• 統一された理論的枠組み： 著者らは、MO-INAC および UO-INAC の両シナリオに対する正確な閉形式の BER 式を導出した。同一の記号レートを仮定する従来の NOMA システムとは異なり、この研究はレート分割された DSSS 構造に対処し、各シナリオにおける固有の誤り伝播メカニズムを考慮した、脱拡散決定統計、確率密度関数（PDF）、および BER 式を導出した。
• 測距精度分析： 本研究は、残留干渉を遅延ロックループ（DLL）追跡ジッターに分析的にマッピングし、測距精度の閉形式式を提供する。これは、測距性能を通信データレートおよび電力割り当てと明示的に関連付けている。
• 高 SNR 近似： 高信号対雑音比（SNR）条件に対する近似閉形式の BER 式が導出され、システム性能、電力割り当て係数、および通信レート間の基本的な関係が明らかになった。

結果
数値評価およびモンテカルロシミュレーション（MEO 衛星パラメータを使用）は、解析結果を確認した：

• MO-INAC の性能： MO-INAC シナリオでは、マルチキャスト信号により多くの電力を割り当てることで、航法信号に対して優れた測位性能と BER 性能が得られる。ただし、通信データレートが増加すると、通信信号の BER は増加する一方、航法信号の BER は減少する。
• UO-INAC の性能： UO-INAC シナリオでは、ユニキャスト信号により多くの電力を割り当てることで、共有リソース内の干渉が軽減される。通信電力割り当てが高く、データレートが低い場合、両方の信号は良好な BER 性能を示す。しかし、より高い通信データレートは、限られたコヒーレント積分時間により測距精度の低下を招く。
• トレードオフ： 通信信号の BER と航法信号の BER 間にはトレードオフが存在する。MO-INAC では、航法電力割り当てを増加させると航法 BER は改善されるが、通信 BER は劣化する。UO-INAC では、通信電力を増加させると通信 BER は改善されるが、SIC プロセスからの誤り伝播により航法性能が劣化する可能性がある。
• ベースラインとの比較： 時分割多重アクセス（TDMA）および循環符号シフトキーイング（CCSK）のベースラインと比較して、提案された NOMA 方式は、優れたリソース利用効率とスケーラビリティを提供する。TDMA および CCSK は特定の隔離条件下ではわずかに優れた航法 BER を提供する可能性があるが、NOMA 方式は CDM のリソース不足や TDM の積分時間損失を回避しつつ、元の PN 位相を保持することでレガシー受信機との互換性を維持する。
• 測距： 特定の条件下では、MO-INAC シナリオは UO-INAC および純粋な航法ベースラインと比較して優れた測距性能を示す。これは、通信ビットの重畳がエネルギー利得または自己干渉除去を提供しうるためである。逆に、UO-INAC の測距精度は、通信データレートの増加に伴って劣化する。

意義と主張
本論文は、提案された MUC-NOMA ベースの INAC 信号構造が、TDM の不連続性の問題と FDM/CDM のリソース非効率性を克服する、衛星通信と航法の統合に対する実用的な解決策を提供すると主張している。閉形式の解析式を提供することにより、この研究はシミュレーションのみに依存することなくシステム性能を評価するための包括的な枠組みを提供する。著者らは、MO-INAC シナリオが経路損失や信号劣化に対して特に堅牢であり、中軌道（MEO）衛星システムにとって好ましい選択肢であると主張している。本研究は、電力割り当ておよびデータレートに依存して通信サービスと航法サービスの間には性能上のトレードオフが存在する一方で、提案されたアーキテクチャはこれらの要件をバランスさせるための柔軟なリソース分割を可能にし、最終的にシステムの効率性と信頼性を向上させることを強調している。