[논문 리뷰] Cognitive Non-Orthogonal Multiple Access with Cooperative Relaying: A New Wireless Frontier for 5G Spectrum Sharing

Lu Lv, Jian Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 12.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 5G에서 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 향상시키기 위해 인지 무선 원칙을 NOMA와 협업 릴레이와 통합한 인지 비직교 다중접근(Cognitive NOMA) 네트워크를 제안한다. 세 가지 아키텍처—언더레이, 오버레이라고, CR 기반 NOMA—를 도입하여, 협업 릴레이가 모든 구성에서 탈락 확률을 크게 감소시켜 간섭 제한 환경에서 공정성과 신뢰성을 향상시킴을 입증한다.

ABSTRACT

Two emerging technologies towards 5G wireless networks, namely non-orthogonal multiple access (NOMA) and cognitive radio (CR), will provide more efficient utilization of wireless spectrum in the future. In this article, we investigate the integration of NOMA with CR into a holistic system, namely cognitive NOMA network, for more intelligent spectrum sharing. Design principles of cognitive NOMA networks are perfectly aligned to functionality requirements of 5G wireless networks, such as high spectrum efficiency, massive connectivity, low latency, and better fairness. Three different cognitive NOMA architectures are presented, including underlay NOMA networks, overlay NOMA networks, and CR-inspired NOMA networks. To address inter- and intra-network interference which largely degrade the performance of cognitive NOMA networks, cooperative relaying strategies are proposed. For each cognitive NOMA architecture, our proposed cooperative relaying strategy shows its potential to significantly lower outage probabilities. Furthermore, we discuss open challenges and future research directions on implementation of cognitive NOMA networks.

연구 동기 및 목표

• NOMA와 인지 무선(CR) 기술을 통합하여 스펙트럼 공유 5G 네트워크에서 심각한 간섭 문제를 해결한다.
• 고스펙트럼 효율성, 대량 연결, 낮은 지연, 향상된 공정성을 지원하는 인지 NOMA 아키텍처를 설계한다.
• 협업 릴레이 전략을 사용하여 인지 NOMA에서 상호 네트워크 및 내부 네트워크 간섭을 완화하고 수신 신뢰성을 향상시킨다.
• 인지 NOMA 네트워크의 실용적 구현을 위한 열린 과제와 향후 연구 방향을 규명한다.

제안 방법

• 언더레이라고(NOMA, SUs는 전력 제약 하에 PU와 동시에 전송), 오버레이라고(NOMA, SUs는 전력 도메인 다중접속을 통해 PU와 동시에 전송), CR 기반 NOMA(NOMA, SUs는 감지 및 협업 기반으로 스펙트럼을 기회적으로 접근)를 포함한 세 가지 인지 NOMA 아키텍처를 제안한다.
• 각 아키텍처에 대해 상호 및 내부 네트워크 간섭을 완화하고 신호 검출을 향상시키며 탈락 확률을 감소시키기 위해 협업 릴레이 전략을 도입한다.
• 수신기에서 연속 간섭 제거(SIC)를 적용하여 목적 신호를 디코딩하고 나머지 신호를 간섭으로 간주함으로써 다운링크 및 업링크 NOMA 전역에서 전력 도메인 다중접속을 가능하게 한다.
• 탈락 확률을 핵심 지표로 사용하여 성능을 분석하고, 릴레이 배치 및 사용자 쌍화가 네트워크 신뢰성에 미치는 영향을 평가한다.
• 신뢰성 향상과 강건성을 제고하기 위해 공동 전송기 수신기 beamforming, 릴레이 선택, 물리계층 보안 기법과 같은 고급 기법을 고려한다.
• 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 추가로 향상시키기 위해 풀디플렉스 릴레이 및 MIMO 통합을 탐색한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA와 인지 무선이 어떻게 통합되어 5G 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 극대화하고 대량 연결을 지원할 수 있는가?
• RQ2 간섭 제한 조건 하에서 언더레이라고, 오버레이라고, CR 기반 NOMA 아키텍처의 성능 한계는 무엇인가?
• RQ3 협업 릴레이 전략은 상호 및 내부 네트워크 간섭을 관리하면서 인지 NOMA 네트워크에서 탈락 확률을 어떻게 감소시키는가?
• RQ4 여러 개의 SU와 PU가 존재하는 인지 NOMA에서 사용자 쌍화, 전력 할당, 릴레이 선택의 핵심 과제는 무엇인가?
• RQ5 물리계층 보안 및 풀디플렉스 릴레이를 인지 NOMA에 통합하여 신뢰성 향상과 탈취 방지를 어떻게 달성할 수 있는가?

주요 결과

• 협업 릴레이 전략은 언더레이라고, 오버레이라고, CR 기반 NOMA를 포함한 세 가지 인지 NOMA 아키텍처에서 모두 탈락 확률을 크게 감소시켜 수신 신뢰성을 향상시킨다.
• NOMA와 CR의 통합은 전통적인 오рhogonal 다중접근(OMA) 기법에 비해 더 높은 스펙트럼 효율성, 대량 연결 지원, 공정성 향상을 가능하게 한다.
• 주요 사용자 및 보조 사용자로부터 오는 간섭을 릴레이를 통해 완화함으로써 다운링크 및 업링크 NOMA 시나리오에서 탈락 성능 향상이 관찰된다.
• MIMO-NOMA에서 공동 전송기 수신기 beamforming과 최적 전력 할당을 통해 주 네트워크에 대한 간섭을 제한하면서 보조 사용자의 합산 속도를 극대화할 수 있다.
• 릴레이 선택 및 사용자 스케줄링 전략은 주 사용자와 보조 사용자 모두의 신뢰성을 공동으로 최적화해야 하므로 기존 접근 방식을 초월한 새로운 설계가 필요하다.
• 협업 잡잉과 같은 물리계층 보안 기법을 통해 신뢰할 수 없는 릴레이 및 서비스 거부 공격의 위험을 완화할 수 있다.