[논문 리뷰] A Multi-Beam NOMA Framework for Hybrid mmWave Systems

Zhiqiang Wei, Lou Zhao외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 04. 23.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 19인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 밀리미터파(mmWave) 시스템을 위한 다중빔 비직교 다중접근(NOMA) 프레임워크를 제안하며, 단일 RF 체인에서 다중 아날로그 빔을 생성하기 위해 빔 분할 기법을 사용하여 도래각이 다른 사용자들과 동시에 전송을 가능하게 한다. 이 방식은 단일빔 NOMA 및 시간분할다중접근(TDMA)보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, 고신호대역비(SNR) 및 대규모 안테나 어레이 조건에서의 성능 우월성을 수식적으로 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a multi-beam non-orthogonal multiple access (NOMA) framework for hybrid millimeter wave (mmWave) systems. The proposed framework enables the use of a limited number of radio frequency (RF) chains in hybrid mmWave systems to accommodate multiple users with various angles of departures (AODs). A beam splitting technique is introduced to generate multiple analog beams to facilitate NOMA transmission. We analyze the performance of a system when there are sufficient numbers of antennas driven by a single RF chain at each transceiver. Furthermore, we derive the sufficient and necessary conditions of antenna allocation, which guarantees that the proposed multi-beam NOMA scheme outperforms the conventional time division multiple access (TDMA) scheme in terms of system sum-rate. The numerical results confirm the accuracy of the developed analysis and unveil the performance gain achieved by the proposed multi-beam NOMA scheme over the single-beam NOMA scheme.

연구 동기 및 목표

• 낮은 수의 RF 체인으로 인해 하이브리드 mmWave 시스템에서 사용자 다중접속 능력이 제한됨을 해결한다.
• 좁은 빔으로 인해 사용자 그룹화가 제한되는 mmWave 대역에서의 전통적 직교다중접근(OMA) 및 단일빔 NOMA의 제약을 극복한다.
• 한 RF 체인당 다수의 아날로그 빔을 활용해 공간 다중접속을 실현함으로써 하이브리드 mmWave 시스템에서의 탄력적이고 고용량의 다중사용자 접근을 가능하게 한다.
• 시스템 합산율 측면에서 TDMA를 능가하는 다중빔 NOMA 성능 향상을 보장하는 안테나 할당 조건을 분석적으로 유도한다.
• 실제 mmWave 채널 조건 하에서 스펙트럼 효율성 및 사용자 도래각 분포에 대한 민감도 측면에서 다중빔 NOMA가 단일빔 NOMA 및 TDMA보다 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

제안 방법

• 전체 안테나 어레이를 다수의 하위어레이로 나누어 각각 독립적인 아날로그 빔을 생성하는 빔 분할 기법을 도입한다.
• 각 NOMA 그룹에 대해 하나의 RF 체인을 할당하며, 각 그룹은 도래각(AOD)이 다른 사용자를 수용하기 위해 다수의 아날로그 빔을 사용한다.
• 정확한 비교를 위해 각 NOMA 그룹 내 사용자 간에는 동일한 전력 할당을 적용하고, TDMA 기준선에서는 동일한 시간 할당을 실시한다.
• 대규모 안테나 및 고신호대역비 조건에서의 점점 가까운 시스템 합산율 표현식을 유도하여 이상적인 조건 하에서의 성능을 분석한다.
• 다중빔 NOMA가 TDMA를 능가하는 조건을 보장하는 안테나 할당의 충분조건 및 필수조건을 수립한다(식 22 및 식 30 참조).
• 다양한 전송 전력과 사용자 채널 이득 비율 조건 하에서 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 하이브리드 mmWave 시스템에서 단일 RF 체인만을 사용하여 임의의 도래각(AOD)을 가진 다수의 사용자를 지원할 수 있는 다중빔 NOMA 프레임워크를 설계할 수 있는가?
• RQ2 다중빔 NOMA가 TDMA를 능가하는 성능 향상을 보장하기 위한 안테나 할당 조건의 충분조건 및 필수조건은 무엇인가?
• RQ3 실제 mmWave 채널 조건 하에서 다중빔 NOMA의 스펙트럼 효율성은 단일빔 NOMA 및 TDMA와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 시스템 합산율이 빔당 안테나 수와 전송 전력에 따라 얼마나 증가하는가?
• RQ5 점점 가까운 분석 결과는 고신호대역비 및 대규모 안테나 환경에서 다중빔 NOMA가 TDMA를 능가하는 성능 향상을 얼마나 정확하게 예측할 수 있는가?

주요 결과

• 모의 실험과 점점 가까운 분석을 통해, 가장 강력한 사용자에게 할당된 안테나 수($M_1$)가 증가할수록 시스템 합산율이 단조적으로 증가하는 것을 확인하였다.
• 유도된 안테나 할당 조건(식 30)은 다중빔 NOMA가 TDMA를 능가하는 합산율 조건을 정확히 예측하며, $M_1$의 임계값을 정확히 규명한다.
• 전송 전력($p_{ ext{max}}$)이 증가함에 따라 다중빔 NOMA가 TDMA를 능가하는 성능 향상은 일정하게 유지되며, 이는 고신호대역비 조건에서 공간 다중접속과 채널 이득 차이가 주요 기여 요소임을 시사한다.
• 기준선인 단일빔 NOMA 대비 다중빔 NOMA는 도래각이 다른 사용자를 동시에 수용할 수 있는 능력 덕분에 뚜렷한 성능 향상을 달성한다.
• 모의 실험 결과는 점점 가까운 분석의 정확성을 확인하였으며, 합산율 및 성능 임계값에 대해 이론적 예측과 실험 결과가 매우 유사하게 일치함을 보였다.
• 다중빔 NOMA의 시스템 합산율은 사용자 간 채널 이득 차이가 클수록 증가하며, 채널 강도의 차이를 효과적으로 활용하는 전력 도메인 다중접속의 효율성을 입증한다.