[논문 리뷰] Backscatter Cooperation in NOMA Communications Systems

Wei-Yu Chen, Haiyang Ding외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 06. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전용 중계 시간 슬롯이 필요 없도록, 한 사용자가 수신한 신호의 일부를 백스캐터링하여 다른 사용자를 지원하는 백스캐터링 협업(NOMA) 기반의 BC-NOMA 기법을 제안한다. 이 기법은 스펙트럼 효율성을 희생시키지 않으면서도 비협업, 전통적 중계, 증분 중계 NOMA보다 우수한 아웃지 전력 성능, 더 높은 기대 전송률, 더 나은 다중화-다양성 트레이드오프 성능을 달성한다.

ABSTRACT

In this paper, a backscatter cooperation (BC) scheme is proposed for non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink transmission. The key idea is to enable one user to split and then backscatter part of its received signals to improve the reception at another user. To evaluate the performance of the proposed BC-NOMA scheme, three benchmark schemes are introduced. They are the non-cooperation (NC)-NOMA scheme, the conventional relaying (CR)-NOMA scheme, and the incremental relaying (IR)-NOMA scheme. For all these schemes, the analytical expressions of the minimum total power to avoid information outage are derived, based on which their respective outage performance, expected rates, and diversity-multiplexing trade-off (DMT) are investigated. Analytical results show that the proposed BC-NOMA scheme strictly outperforms the NC-NOMA scheme in terms of all the three metrics. Furthermore, theoretical analyses are validated via Monte-Carlo simulations. It is shown that unlike the CR-NOMA scheme and the IR-NOMA scheme, the proposed BC-NOMA scheme can enhance the transmission reliability without impairing the transmission rate, which makes backscattering an appealing solution to cooperative NOMA downlinks.

연구 동기 및 목표

• 전통적 협업 NOMA 기법이 중계를 위해 추가 시간 슬롯을 필요로 하여 스펙트럼 효율성이 떨어지는 문제를 해결하기 위해.
• NOMA 다운링크 시스템에서 저복잡도이자 스펙트럼 효율적인 협업 메커니즘으로 백스캐터링 통신을 탐색하기 위해.
• 비협업, 비협업 중계, 증분 중계 NOMA 기반 기준 기준과 비교하여 아웃지 확률, 기대 전송률, 다중화-다양성 트레이드오프(DMT) 측면에서 제안된 BC-NOMA 기법의 성능을 평가하기 위해.
• 이론적 분석을 통해 BC-NOMA의 성능 향상을 유도하고, 해석적 유도 및 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이를 검증하기 위해.

제안 방법

• 채널 조건이 우수한 사용자가 수신한 신호를 분할하고, 일부를 백스캐터링하여 채널 조건이 열 劣한 사용자를 지원하는 백스캐터링 협업(BC-NOMA) 기법을 도입한다.
• 통계적 채널 상태 정보를 이용하여 BC-NOMA, NC-NOMA, CR-NOMA, IR-NOMA 기법의 정보 아웃지를 방지하기 위한 최소 총 전력 소모에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 수신기에서 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 적용하고, 채널 이득을 지수분포 확률변수로 모델링하여 아웃지 및 다중화-다양성 트레이드오프(DMT) 성능을 유도한다.
• 고신호대역비(SNR)에서 점점 더 큰 신호 대역비를 고려한 점근적 분석을 적용하여 BC-NOMA의 다양성 순서와 DMT를 유도하며, 이는 $2 - 2r_A - 2r_B$ 비례함을 보여준다.
• 이론적 결과를 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증하여 BC-NOMA가 모든 성능 지표에서 뛰어난 성능을 보임을 확인한다.
• 비협업(NC-NOMA), 전통적 중계(CR-NOMA), 증분 중계(IR-NOMA)의 세 가지 기준 기준과 BC-NOMA를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 백스캐터링 협업 기반의 NOMA 시스템이 추가 시간 자원 없이도 비협업 및 전통적 중계 기법보다 더 나은 아웃지 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 제안된 BC-NOMA 기법은 스펙트럼 효율성과 전송 신뢰성 측면에서 CR-NOMA 및 IR-NOMA와 비교해 어떻게 성능을 냈는가?
• RQ3 BC-NOMA 기법의 다중화-다양성 트레이드오프(DMT) 성능은 무엇이며, 시스템 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ4 전통적 협업 기법이 다양성 확보를 위해 전송률을 희생시키는 것과는 달리, BC-NOMA 기법은 신뢰성을 향상시키면서도 고속도를 유지하는가?
• RQ5 고신호대역비 영역에서 아웃지 확률 및 기대 전송률에 대한 해석적 유도 결과가 시뮬레이션 결과와 얼마나 일치하는가?

주요 결과

• 제안된 BC-NOMA 기법은 아웃지 확률, 기대 전송률, 다중화-다양성 트레이드오프(DMT) 측면에서 NC-NOMA 기법을 엄격히 초월한다.
• BC-NOMA는 $2 - 2r_A - 2r_B$의 다양성 순서를 달성하며, 이는 NC-NOMA보다 높고, 동일 조건에서 CR-NOMA 및 IR-NOMA와 비교해도 유사하거나 더 우수한 성능이다.
• CR-NOMA 및 IR-NOMA와 달리, BC-NOMA는 전송률을 낮추지 않고도 전송 신뢰성을 향상시켜 스펙트럼 효율성을 유지한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 해석적 결과가 확인되었으며, BC-NOMA는 모든 신호대역비 영역에서 높은 성능 유지를 보이며 최소한의 구현 오버헤드를 가진다.
• 전용 중계 시간 슬롯이 필요 없기 때문에, 기존 협업 NOMA 접근 방식보다 더 뛰어난 스펙트럼 효율성을 확보한다.
• 점근적 분석을 통해 BC-NOMA의 아웃지 확률이 $1/P_{\text{p}}^{2-2r_A-2r_B}$ 비례로 감소함을 확인하여 강력한 다양성 이득을 가짐을 입증한다.