[논문 리뷰] Adaptive User Pairing for Downlink NOMA System with Imperfect SIC

Nemalidinne Siva Mouni, Abhinav Kumar외 1명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 9인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 연속 간섭 제거(SIC) 조건 하에서 다운링크 NOMA 시스템을 위한 적응형 사용자 페어링(A-UP) 알고리즘을 제안한다. NOMA가 OMA를 능가하도록 보장하기 위해 전력 할당 및 채널 이득에 대한 한계를 유도하며, SINR과 SIC 불완전성 수준에 따라 NOMA와 OMA 페어링을 동적으로 선택함으로써 실제 불완전한 SIC 조건 하에서도 기존 방법보다 높은 구현 가능한 합계 속도(ASR)를 달성한다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recognized as a key driving technology for the fifth generation (5G) and beyond 5G cellular networks. For a practical dowlink NOMA system with imperfect successive interference cancellation (SIC), we derive bounds on channel coefficients and power allocation factors between NOMA users to achieve higher rates than an equivalent orthogonal multiple access (OMA) system. We propose an adaptive user pairing (A-UP) algorithm for NOMA systems. Through extensive simulations, we show that NOMA with imperfect SIC is not always superior to OMA. Further, the proposed A-UP algorithm results in better performance than state-of-the-art NOMA pairing algorithms in presence of SIC imperfections.

연구 동기 및 목표

• 불완전한 연속 간섭 제거(SIC)로 인한 NOMA 시스템의 성능 저하 문제를 해결하며, 이는 기대하는 스펙트럼 효율성 향상 효과를 약화시킨다.
• SIC 불완전성이 심한 경우, 이론적으로 유리한 NOMA가 OMA를 능가하지 못하는 조건을 규명한다.
• 사용자 채널 조건과 SIC 품질에 따라 NOMA와 OMA 페어링 간에 지능적으로 전환할 수 있는 적응형 사용자 페어링 전략을 개발한다.
• 불완전한 SIC 조건 하에서도 NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하기 위해 전력 할당 및 채널 이득 차이에 대한 분석적 한계를 도출한다.
• 잔류 간섭이 존재하는 불완전한 SIC 조건 하에서 강한 사용자 및 약한 사용자 속도 간의 트레이드오프를 최적화하여 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.

제안 방법

• 약한 사용자(NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하기 위해) 강한 사용자에게 할당되는 전력 비율($\alpha_s$)에 대한 상한을 유도하며, 식은 $\alpha_s^* = \frac{1}{\gamma_w}(\sqrt{1+\gamma_w} - 1)$ 로 주어진다.
• 강한 사용자(NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하기 위해) $\alpha_s$에 대한 하한을 유도하며, 식은 $\alpha_s > \frac{1}{\gamma_s}(\sqrt{1+\gamma_s} - 1)$ 로 표현된다.
• 강한 사용자(NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하기 위해) SIC 불완전성 요소 $\beta$에 대한 한계를 설정하며, 식은 $\beta < \frac{1}{\gamma_s} \left( \frac{1}{\alpha_s} - 1 \right)$ 로 주어진다.
• SINR 차이가 최소가 되는 기준에 기반해 사용자 쌍을 선택하는 적응형 사용자 페어링(A-UP) 알고리즘을 제안하며, 이는 SIC 불완전성 조건 하에서도 최적의 페어링을 보장한다.
• 실제 무선 채널 조건을 반영하기 위해 시뮬레이션에서 로그 속도(LR) 및 이산 속도(DR) 모델을 모두 활용한다.
• 다양한 SIC 수준($\beta$)과 사용자 밀도 조건에서 기존의 근거리(NF) 및 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링 기법과 A-UP 알고리즘을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 SIC가 NOMA의 성능을 OMA 이하로 떨어뜨리는 조건는 언제이며, 언제 OMA가 더 나은 선택인가?
• RQ2 NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하기 위한 전력 할당($\alpha_s$)과 SIC 불완전성($\beta$)에 대한 분석적 한계는 무엇인가?
• RQ3 제안된 A-UP 알고리즘이 불완전한 SIC 조건 하에서 최신 기술의 NOMA 페어링 기법보다 구현 가능한 합계 속도(ASR)를 얼마나 향상시키는가?
• RQ4 SIC가 불완전할 경우 NOMA에서 강한 사용자와 약한 사용자 간의 속도 간 트레이드오프는 어떻게 되며, 이를 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ5 $\alpha_s$와 $\beta$의 변화가 로그 속도 및 이산 속도 모델 모두에서 NOMA와 OMA 속도에 미치는 영향은 어떠한가?

주요 결과

• 불완전한 SIC 조건 하에서 NOMA가 항상 OMA를 능가하는 것은 아니다. SIC 불완전성($\beta$)이 유도된 상한을 초과할 경우, NOMA의 속도는 OMA를 떨어지게 된다.
• 강한 사용자 채널 이득 $\gamma_s = 8.64$ dB, 약한 사용자 채널 이득 $\gamma_w = 3.88$ dB, $\alpha_s = 0.33$ 조건에서 $\beta = 0.05$일 경우에도 NOMA 속도는 OMA를 초과하지만, $\beta = 0.2$일 경우 유도된 한계를 초과하여 OMA 이하로 떨어진다.
• 제안된 A-UP 알고리즘은 기존의 근거리(NF) 및 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링 기법보다 더 높은 ASR을 달성하며, 특히 SIC 불완전성이 높은 경우($\beta = 0.13$) 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 강한 사용자에 대한 $\alpha_s$ 하한은 그의 NOMA 속도가 OMA 속도를 초과하도록 보장하며, 약한 사용자에 대한 상한 역시 동일한 목적을 달성한다. 두 한계 모두 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• $\beta = 0.02$일 경우, 완전한 SIC 조건에서의 강한 사용자 속도는 불완전한 SIC 조건보다 높게 나타나, SIC 불완전성으로 인한 성능 저하가 확인된다.
• A-UP 알고리즘은 강한 사용자와 약한 사용자 간의 속도 트레이드오프를 효과적으로 균형 잡으며, 채널 조건과 SIC 품질에 따라 페어링 방식을 동적으로 선택함으로써 불완전한 SIC 조건 하에서도 NOMA의 이점을 유지한다.