[논문 리뷰] Cooperative HARQ Assisted NOMA Scheme in Large-scale D2D Networks

Zheng Shi, Shaodan Ma외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 40인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 스트로스틱 기하학을 사용하여 공간적 및 시간적 간섭 상관관계를 모델링함으로써 대규모 D2D 네트워크를 위한 협업형 HARQ-보조 NOMA 방식을 제안한다. 실패율 제약 조건 하에서 전력 할당과 전송률 선택을 공동 최적화함으로써, HARQ-보조 OMA 대비 32%의 실패율 감소와 47%의 Throughput 향상을 달성하여 간섭 인지 설계가 NOMA 성능에 핵심적인 역할을 한다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

This paper develops an interference aware design for cooperative hybrid automatic repeat request (HARQ) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme for large-scale device-to-device (D2D) networks. Specifically, interference aware rate selection and power allocation are considered to maximize long term average throughput (LTAT) and area spectral efficiency (ASE). The design framework is based on stochastic geometry that jointly accounts for the spatial interference correlation at the NOMA receivers as well as the temporal interference correlation across HARQ transmissions. It is found that ignoring the effect of the aggregate interference, or overlooking the spatial and temporal correlation in interference, highly overestimates the NOMA performance and produces misleading design insights. An interference oblivious selection for the power and/or transmission rates leads to violating the network outage constraints. To this end, the results demonstrate the effectiveness of NOMA transmission and manifest the importance of the cooperative HARQ to combat the negative effect of the network aggregate interference. For instance, comparing to the non-cooperative HARQ assisted NOMA, the proposed scheme can yield an outage probability reduction by $32$%. Furthermore, an interference aware optimal design that maximizes the LTAT given outage constraints leads to $47$% throughput improvement over HARQ-assisted orthogonal multiple access (OMA) scheme.

연구 동기 및 목표

• NOMA 시스템에서 집합 간섭을 忽시할 경우 성능을 과대평가하는 문제를 해결하기 위해.
• 대규모 D2D 네트워크에서 HARQ-보조 NOMA에 대한 공간적 및 시간적 간섭 상관관계를 모델링하고 고려하기 위해.
• 장기 평균 Throughput(LTAT)과 영역 스펙트럼 효율성(ASE)을 최대화하는 간섭 인지 최적화 프레임워크를 개발하기 위해.
• 대규모 D2D 네트워크에서 NOMA와 OMA의 성능 차이를 정량화하고, 협업 및 HARQ의 영향을 분석하기 위해.

제안 방법

• 무작위 공간 배치와 간섭을 반영하기 위해 D2D 장치를 포아송 점 프로세스(PPP)로 모델링한다.
• 스트로스틱 기하학을 사용하여 공간 간섭 상관관계를 고려한 실패율 및 LTAT의 정확한 표현을 유도한다. 이는 NOMA 사용자 간의 공간 간섭 상관관계와 HARQ 재전송 간의 시간 상관관계를 반영한다.
• 효율적인 최적화를 위해 시뮬레이션을 통해 검증된 근사 LTAT 표현식을 유도한다.
• 개별 사용자 실패율 제약 조건 하에서 LTAT를 최대화하는 간섭 인지 연합 전송률 및 전력 할당 최적화 프레임워크를 제안한다.
• 분해 이론을 적용하여 최적의 전력 할당과 전송 속도를 유도하기 위해 최적화 문제를 분리한다.
• 분석적 및 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 방식이 비협업형 HARQ-NOMA 및 HARQ-보조 OMA보다 뛰어난 성능을 보임을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 D2D 네트워크에서 공간적 및 시간적 간섭 상관관계를 忽시할 경우 NOMA 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 협업형 HARQ는 NOMA 기반 D2D 통신에서 실패율과 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 간섭 인지 전력 및 전송률 할당은 기존 방식에 비해 LTAT 및 ASE를 어떻게 향상시키는가?
• RQ4 실패율 제약 조건 하에서 HARQ-보조 NOMA의 최적 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ5 HARQ 및 협업이 적용되었을 때, 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 NOMA는 OMA에 비해 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 집합 간섭과 간섭 상관관계를 忽시할 경우 NOMA 성능이 심각하게 과대평가되고 잘못된 설계 통찰이 유도된다.
• 제안된 협업형 HARQ-보조 NOMA 방식은 비협업형 HARQ-NOMA 대비 실패율을 32% 감소시킨다.
• 간섭 인지 최적 설계는 동일한 실패율 제약 조건 하에서 HARQ-보조 OMA 대비 47%의 Throughput 향상을 달성한다.
• 실패율 제약 조건 하에서 최적 전력 할당 전략은 강한 사용자에게만 전력이 할당되는 완전히 구동된 NOMA 사용자(β² = 1)를 나타내며, 이는 전력이 강한 사용자에게 우선 배정되어야 한다는 것을 의미한다.
• 유도된 근사 LTAT 표현식은 정확하며 시스템 파라미터 최적화에 효율적으로 활용될 수 있다.
• 공간적 및 시간적 간섭 상관관계를 정확히 모델링하는 것이 매우 중요하며, 이를 忽시할 경우 신뢰할 수 없는 성능 예측이 유도된다.