[논문 리뷰] A Novel Network NOMA Scheme for Downlink Coordinated Three-Point Systems

Yanshi Sun, Zhiguo Ding외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 무작위로 배치된 사용자를 가진 다운링크 Coordinated Three-Point (CoMP) 시스템을 위한 새로운 네트워크 비직교 다중접근(N-NOMA) 방식을 제안한다. 수신기 간섭을 고려한 슈퍼포지션 코딩(Sc)과 분산 아날로그 빔포밍을 조합함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시키고, 세포 에지 사용자에 대한 서비스 품질(QoS)을 개선하며, 분석적 근사와 시뮬레이션을 통해 현저한 아웃지 성능 향상을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a network non-orthogonal multiple access (N-NOMA) technique for the downlink coordinated multipoint (CoMP) communication scenario of a cellular network, with randomly deployed users. In the considered N-NOMA scheme, superposition coding (SC) is employed to serve cell-edge users as well as users close to base stations (BSs) simultaneously, and distributed analog beamforming by the BSs to meet the cell-edge user's quality of service (QoS) requirements. The combination of SC and distributed analog beamforming significantly complicates the expressions for the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) at the reveiver, which makes the performance analysis particularly challenging. However, by using rational approximations, insightful analytical results are obtained in order to characterize the outage performance of the considered N-NOMA scheme. Computer simulation results are provided to show the superior performance of the proposed scheme as well as to demonstrate the accuracy of the analytical results.

연구 동기 및 목표

• 기존의 직교 다중접근(OMA)을 사용하는 전통적 CoMP 시스템의 스펙트럼 효율성 한계를 해결하기 위해, 세포 에지 사용자가 자원 블록을 독점하는 문제를 해결하고자 한다.
• 스펙트럼 효율성을 희생시키지 않고도 세포 에지 사용자에 대한 서비스 품질(QoS)을 향상시키고자 한다.
• 세 기지국(3-BS) CoMP 환경에서 슈퍼포지션 코딩(Sc)과 분산 아날로그 빔포밍을 융합한 새로운 N-NOMA 방식의 성능 분석 프레임워크를 개발하고자 한다.
• 슈퍼포지션 코딩과 빔포밍의 복합적 영향으로 인해 복잡해지는 상황에서도, 아웃지 확률에 대한 분석적 표현을 유도하고자 한다.
• 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 분석 결과의 타당성을 검증하고, 기존 방법에 비해 제안된 방식의 우수성을 입증하고자 한다.

제안 방법

• 제안된 N-NOMA 방식은 기지국(BS)에서 수신자 간 간섭을 고려한 채널 상태에 따라 다른 전력 수준을 할당함으로써, 동시에 세포 에지 사용자와 근접 사용자를 서비스하기 위해 슈퍼포지션 코딩(Sc)을 사용한다.
• 세 기지국에서 분산 아날로그 빔포밍을 적용하여 세포 에지 사용자의 신호 강도와 신뢰성을 향상시키며, 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 순간적인 Channel State Information(CSI) 교환 없이 위상 정보만을 사용한다.
• 사용자 위치는 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링되며, 세포 에지 사용자는 기지국으로부터 무작위로 떨어진 거리에 위치하고, 근접 사용자는 기지국에 더 가까이 위치한다.
• 경로 손실, 다른 사용자로부터 오는 간섭, 빔포밍 이득을 고려한 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 표현식을 유도함으로써 복잡한 아웃지 확률 표현식을 도출한다.
• 아웃지 확률에 대한 분석적 표현을 단순화하기 위해 유리 근사와 테일러 급수 전개를 적용하여 해석 가능한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 스토하스틱 기하학 도구를 사용하여 아웃지 확률을 평가하며, 캄벨의 정리와 일반화된 감마 함수를 활용하여 무작위로 배치된 사용자로부터 오는 간섭을 처리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 세 기지국 CoMP 시스템에서 무작위로 배치된 사용자를 가진 상황에서 슈퍼포지션 코딩(Sc)과 분산 아날로그 빔포밍의 통합이 아웃지 성능에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 슈퍼포지션 코딩과 분산 빔포밍의 병합 효과를 고려한 제안된 N-NOMA 방식의 아웃지 확률에 대한 분석적 표현은 무엇인가?
• RQ3 제안된 방식은 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성 측면에서 기존의 OMA 기반 CoMP에 비해 어떻게 우월한가?
• RQ4 사용자 분포와 경로 손실은 제안된 N-NOMA 방식의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 실제 시스템 조건에서 실제 아웃지 성능을 예측하는 데 있어 분석적 근사는 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 제안된 N-NOMA 방식은 특히 고간섭 환경에서 기존의 OMA 기반 CoMP에 비해 세포 에지 사용자의 아웃지 확률이 현저히 낮아짐을 확인하였다.
• 유리 근사와 스토하스틱 기하학을 활용해 도출한 분석적 아웃지 확률 표현식이 시뮬레이션 결과와 강한 일치를 보이며 분석의 정확성을 입증하였다.
• 분산 아날로그 빔포밍을 통해 기지국 간 순간적인 CSI 교환을 생략함으로써 피드백 오버헤드를 감소시키면서도 세포 에지 사용자 성능 향상을 달성하였다.
• 아웃지 성능 향상을 기반으로 유도된 식: $ P_1 \text{approx} \approx 1 - \frac{2\rho^{\frac{2}{\alpha}}M_1\gamma(\frac{2}{\alpha},\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho}) - \frac{4\beta_1^2M_1\rho^{\frac{2}{\alpha}+1}}{l^{\alpha}}\gamma(\frac{2}{\alpha}+1,\frac{M_1R_1^{\alpha}}{\rho})}{\alpha M_1^{\frac{2}{\alpha}+1}R_1^2} $ 는 전력 할당과 빔포밍의 병합 영향을 잘 반영한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방식이 스펙트럼 효율성을 향상시키며, QoS를 저하시키지 않고도 자원 블록당 더 많은 사용자를 지원할 수 있음을 확인하였다.