[논문 리뷰] Application of Non-orthogonal Multiple Access in LTE and 5G Networks

Zhiguo Ding, Yuanwei Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 11. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 LTE 및 5G 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위한 비직교 다중접속(NOMA)을 제안하며, 전력 도메인 다중화와 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 통해 다수의 사용자에게 동시에 전송을 가능하게 한다. 이는 이질적인 채널 조건에서 기존의 직교 다중접속(OMA)에 비해 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

As the latest member of the multiple access family, non-orthogonal multiple access (NOMA) has been recently proposed for 3GPP Long Term Evolution (LTE) and envisioned to be an essential component of 5th generation (5G) mobile networks. The key feature of NOMA is to serve multiple users at the same time/frequency/code, but with different power levels, which yields a significant spectral efficiency gain over conventional orthogonal MA. This article provides a systematic treatment of this newly emerging technology, from its combination with multiple-input multiple-output (MIMO) technologies, to cooperative NOMA, as well as the interplay between NOMA and cognitive radio. This article also reviews the state of the art in the standardization activities concerning the implementation of NOMA in LTE and 5G networks.

연구 동기 및 목표

• LTE 및 5G 네트워크에서 기존의 직교 다중접속(OMA)의 스펙트럼 효율성 한계를 해결한다.
• 전력 도메인 다중화를 사용하여 시간, 주파수, 코드 도메인에서 동시에 다수의 사용자 액세스를 가능하게 한다.
• 다양한 채널 조건을 가진 사용자를 한 번의 전송으로 서비스하여 시스템의 공정성과 처리량을 향상시킨다.
• MIMO, 인공지능 라디오, 협동 릴레이와 같은 신규 기술과 NOMA를 통합하여 성능을 향상시킨다.
• 표준화 진전을 검토하고 실용적인 NOMA 구현을 위한 핵심 연구 과제를 규명한다.

제안 방법

• 기지국에서 중첩 신호 전송을 위해 초과 신호 전송 기법을 사용하여, 동일한 리소스 블록에 서로 다른 전력 수준으로 다수의 사용자 신호를 전송한다.
• 사용자 단말기에서 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 구현하며, 채널 이득이 더 높은 사용자가 먼저 약한 사용자 신호를 디코딩하고 제거한다.
• 신뢰할 수 있는 검출을 보장하기 위해 채널 조건이 열악한 사용자에게 더 높은 전력을 할당하는 전력 할당 정책을 적용한다.
• 공간 다중화와 빔포밍을 활용하여 MIMO와 NOMA를 통합함으로써 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시킨다.
• 채널 조건이 양호한 사용자가 릴레이 역할을 하여 채널 품질이 열악한 사용자의 커버리지와 신뢰성을 향상시키는 협동 NOMA 프로토콜을 설계한다.
• 특히 채널 이득 격차가 큰 상황에서 OFDMA와 NOMA를 융합한 하이브리드 다중접속 기법을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5G 및 LTE 네트워크에서 기존의 OMA에 비해 NOMA는 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 시스템 처리량과 공정성을 극대화하기 위해 다중 사용자 NOMA 시스템에서 최적의 전력 할당 및 사용자 쌍화 전략은 무엇인가?
• RQ3 MIMO 및 빔포밍과 효과적으로 통합될 경우 NOMA는 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 사용자 간 협동은 채널 조건이 열악한 사용자에게 특히 어떤 역할을 하여 NOMA 시스템 성능을 향상시키는가?
• RQ5 부정확한 채널 상태 정보(CSI)와 피드백 제약 조건은 NOMA 성능에 어떤 영향을 미치며, 이러한 영향을 완화할 수 있는 해결책은 무엇인가?

주요 결과

• NOMA는 사용자 간 채널 조건 격차가 클 경우, 동일한 시간-주파수 리소스 블록을 다수의 사용자가 공유함으로써 OMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 통해 채널 이득이 높은 사용자가 약한 채널의 사용자 신호를 먼저 디코딩하고 제거함으로써, 두 신호 모두 신뢰성 있게 검출할 수 있다.
• 협동 NOMA는 채널 조건이 양호한 사용자를 릴레이로 활용하여 셀 엣지 사용자의 커버리지와 신뢰성을 향상시킨다.
• 3GPP-LTE-A에서의 MUST(Multi-User Superposition Transmission)와 같은 하이브리드 다중접속 기법은 실망망에서의 NOMA 실현 가능성을 보여준다.
• MIMO-NOMA 시스템에서 사용자 쌍화, 전력 할당, 빔포밍의 공동 최적화는 스펙트럼 및 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있지만, 복잡도 증가를 수반한다.
• 채널 상태 정보(CSI)의 정확도가 떨어지고 피드백 제약이 존재하더라도, 오직 사용자 채널 순서 정보만 피드백하면 성능 저하가 크지 않으며, 이는 오버헤드를 줄이면서도 성능를 유지할 수 있다.