[논문 리뷰] A Fair Individual Rate Comparison between MIMO-NOMA and MIMO-OMA

Ming Zeng, Animesh Yadav외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 09. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 MIMO-NOMA에 대한 전력 할당(PA) 전략을 제안하여, OMA가 임의의 전력 할당과 최적의 도메인 자유도(DoF) 분할을 사용할 경우조차도 모든 사용자에게 더 높은 개별 속도를 보장한다. 주요 기여는 이론적으로 증명된 PA 계획으로, 이는 개별 속도 우월성과 향상된 공정성을 보장하며, 현실적인 MIMO 다운링크 조건에서 사용자 쌍화 및 비례형 조정을 고려한 분석적 유도와 시뮬레이션을 통해 검증된다.

ABSTRACT

In this paper, we compare the individual rate of MIMO-NOMA and MIMO-OMA when users are paired into clusters. A power allocation (PA) strategy is proposed, which ensures that MIMO-NOMA achieves a higher individual rate for each user than MIMO-OMA with arbitrary PA and optimal degrees of freedom split. In addition, a special case with equal degrees of freedom and arbitrary PA for OMA is considered, for which the individual rate superiority of NOMA still holds. Moreover, it is shown that NOMA can attain better fairness through appropriate PA. Finally, simulations are carried out, which validate the developed analytical results.

연구 동기 및 목표

• 기존 문헌에서 MIMO-NOMA와 MIMO-OMA 간의 공정한 개별 속도 비교가 부족한 문제를 해결하기 위해.
• OMA가 임의의 전력 할당과 최적의 DoF 분할을 사용할 경우에도 MIMO-NOMA가 더 높은 개별 속도를 확보할 수 있도록 전력 할당 전략을 개발하기 위해.
• DoF가 사용자 간에 균등하게 분할될 경우에도 MIMO-NOMA가 개별 속도 우월성을 유지할 수 있는지 확인하기 위해.
• 적절한 전력 할당을 통해 NOMA가 MIMO-OMA보다 더 높은 공정성을 달성할 수 있는지 보여주기 위해.
• 사용자 쌍화 및 비례형 조정을 포함한 현실적인 MIMO 다운링크 시스템 모델에서 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증하기 위해.

제안 방법

• 임의의 OMA 전력 할당과 최적의 DoF 분할 조건 하에서 MIMO-OMA의 개별 속도를 초월하는 MIMO-NOMA를 위한 새로운 전력 할당 전략을 제안한다.
• 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 제약 조건과 비례형 조정 조건을 사용하여 폐형 PA 해법을 유도한다.
• 기지국에서 제로포싱(ZF) 예비코드를 적용하여 클러스터 간 간섭을 억제한다.
• 동일한 클러스터 내 사용자 간 수신 비례형 조정 벡터를 통해 신호 정렬을 실현한다.
• 경로 손실과 레이일리 fading 성분을 포함한 블록 fading 채널 모델을 사용하여 현실적인 채널 표현을 구현한다.
• M=4개 안테나, ρ=30 dB, 다양한 전력 계수를 사용한 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OMA가 임의의 전력 할당과 최적의 DoF 분할을 사용할 경우, MIMO-NOMA가 MIMO-OMA보다 더 높은 개별 속도를 달성하는가?
• RQ2 DoF가 사용자 간에 균등하게 분할되고 OMA가 임의의 전력 할당을 사용할 경우, MIMO-NOMA가 여전히 개별 속도 우월성을 유지하는가?
• RQ3 MIMO-NOMA의 전력 할당은 MIMO-OMA에 비해 공정성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최적의 DoF 분할이 NOMA와 OMA 간의 합산 속도 및 개별 속도 비교에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 제안된 PA 전략이 현실적인 MIMO 다운링크 조건 하에서 모든 사용자 쌍에 대해 개별 속도 향상을 보장할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 PA 전략은 OMA가 임의의 전력 할당과 최적의 DoF 분할을 사용할 경우조차도 모든 사용자에게 MIMO-OMA보다 엄격히 높은 개별 속도를 보장한다.
• 균등한 DoF와 임의의 PA의 특수 케이스에서 MIMO-NOMA는 여전히 MIMO-OMA보다 더 높은 개별 속도를 확보하며, 이는 분석적으로 증명되었다.
• 시뮬레이션 결과는 NOMA가 최적의 PA가 적용되었을 때 모든 사용자 쌍에서 OMA보다 높은 개별 속도를 확보함을 확인한다. 특히 $R_1$과 $R_2$ 모두 NOMA에서 OMA의 대응 값보다 높다.
• 방정식 (12b)에 따라 PA가 적용된 NOMA에서는 $R_1$과 $R_2$가 모두 OMA [15]의 경우보다 높으며, 이는 OMA가 등가 전력과 DoF를 가정하더라도 NOMA의 우월성을 입증한다.
• 합산 속도 순서는 $\text{NOMA}_3 > \text{NOMA}_4 > \text{OMA} > \text{OMA}_{[15]}$이며, 이는 최적의 DoF 분할을 가진 OMA가 균등 DoF OMA보다 더 높은 합산 속도를 달성함을 확인한다.
• 그림 1은 강한 사용자의 전력 계수 값이 낮을 경우 NOMA가 OMA보다 더 높은 공정성을 확보할 수 있음을 보여주며, $\alpha_{2'}^2 \in [0, 0.8]$ 범위에서 $R_1^{\text{NOMA}_1} = R_1^{\text{OMA}} > R_2^{\text{NOMA}_1} > R_2^{\text{OMA}}$가 성립한다.