[논문 리뷰] Coordinated Multi-Point (CoMP) Transmission in Downlink Multi-cell NOMA Systems: Models and Spectral Efficiency Performance

Md Shipon Ali, Ekram Hossain외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 각 셀당 분산된 전력 할당을 사용하는 다중셀 비직교 다중접속(NOMA) 시스템을 위한 협동 다중점(CoMP) 전송 프레임워크를 제안한다. 공동 전송 CoMP-NOMA는 동시에 여러 셀에서 CoMP 사용자에게 전송함으로써 성능 향상을 이끌어내며, 순차적 간섭 제거(SIC) 디코딩 순서를 유지함으로써 CoMP-OMA 대비 최대 30% 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

We outline a general framework to use coordinated multi-point (CoMP) transmission technology in downlink multi-cell non-orthogonal multiple access (NOMA) systems considering distributed power allocation at each cell. In this framework, CoMP transmission is used for users experiencing strong receive-signals from multiple cells while each cell adopts NOMA for resource allocation to its active users. After a brief review of the working principles of different CoMP schemes, we identify their applicability and necessary conditions for their use in downlink multi-cell NOMA system. After that, we discuss different network scenarios with different spatial distributions of users and study the applicability of CoMP schemes in these network scenarios. To the end, a numerical performance evaluation is carried out for the proposed CoMP-NOMA systems and the results are compared with those for conventional orthogonal multiple access (OMA)-based CoMP systems. The numerical results quantify the spectral efficiency gain of the proposed CoMP-NOMA models over CoMP-OMA. Finally, we conclude this article by identifying the potential major challenges in implementing CoMP-NOMA in future cellular systems.

연구 동기 및 목표

• 전력 도메인 다중접속을 통해 세포 경계 사용자가 강한 세포 간 간섭을 경험하는 다운링크 다중셀 NOMA 시스템에서의 세포 간 간섭 문제를 해결한다.
• CoMP 전송을 NOMA와 통합하여 다중셀 환경에서 스펙트럼 효율성을 향상시키며, 동시에 각 셀의 분산 전력 할당을 유지한다.
• 다양한 CoMP 방식(예: 협동 beamforming, 공동 전송)이 NOMA 기반 다중셀 네트워크에서 적용 가능한 조건과 성능 상충 관계를 규명한다.
• 실제 네트워크 구현 환경에서 CoMP-NOMA가 전통적인 CoMP-OMA 시스템 대비 스펙트럼 효율성 향상을 수치적으로 평가한다.
• 최적의 디코딩 순서 선택, CSI 피드백, SIC 오류 전파와 같은 주요 구현 과제를 부각시킨다.

제안 방법

• 각 기지국(BS)이 채널 지표에 기반해 자체 NOMA 사용자에게 분산 전력 할당을 수행하며, SIC 제약 조건 하에서 총 Throughput를 최대화하는 다운링크 다중셀 NOMA 시스템을 수립한다.
• 다양한 셀에서 강한 신호를 수신하는 사용자를 CoMP 사용자로 식별하고 CoMP 집합에 할당하며, 비-CoMP 사용자는 단일 셀 전송으로 서비스한다.
• CoMP 사용자에게 공동 전송(JT), 협동 beamforming(CB), 협동 스케줄링(CS) 등의 다양한 CoMP 전송 방식을 적용하며, JT는 동일 스펙트럼에서 동시에 전송을 허용한다.
• NOMA 클러스터 형성 방식을 모델링하여, 각 협력 셀에서 CoMP 사용자와 비-CoMP 사용자를 NOMA 클러스터에 할당하고, 채널 지표에 기반한 SIC 디코딩 순서를 유지한다.
• 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 셀 단위 동적 전력 할당을 적용하며, 최소 데이터율 요구 조건을 충족시키고 SIC 디코딩 순서를 유지하도록 전력 수준을 조정한다.
• 수치적 시뮬레이션을 수행하여 동일한 스펙트럼 자원에서 CoMP-NOMA와 CoMP-OMA의 스펙트럼 효율성을 다양한 사용자 분포 및 네트워크 환경(균일 및 비균일 배치 포함)에서 비교 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 분산 전력 할당이 적용된 다중셀 NOMA 시스템에서 다양한 CoMP 방식(JT, CB, CS 등)의 적용 조건과 타당성은 무엇인가?
• RQ2 공동 전송 CoMP-NOMA는 CoMP-OMA 대비 다른 CoMP-NOMA 방식에 비해 스펙트럼 효율성 향상에서 어떤가?
• RQ3 사용자 공간 분포와 채널 이득 변동은 CoMP-NOMA 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 CoMP-NOMA에서 NOMA 클러스터의 디코딩 순서는 단일 셀 NOMA와 어떻게 다를 수 있으며, 이는 전력 할당에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 미래 5G/B5G 네트워크에 CoMP-NOMA를 구현할 때의 주요 과제는 무엇이며, 특히 이종 및 MIMO 기반 환경에서 어떤가?

주요 결과

• 공동 전송 CoMP-NOMA는 협력 셀 간 전체 스펙트럼 재사용을 가능하게 하여 CoMP-OMA 대비 최대 30% 높은 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.
• CoMP 방식 중에서 JT-CoMP-NOMA가 가장 높은 성능 향상을 제공한다. 이는 모든 CoMP 사용자가 동일한 리소스 블록에서 여러 셀로부터 동일한 데이터 스트림을 수신하기 때문이다.
• 협동 beamforming 및 협동 스케줄링 CoMP-NOMA는 CoMP 사용자 간에 자원을 교차할 수 없도록 하여 JT 대비 스펙트럼 효율성 향상이 제한된다.
• CoMP-NOMA 클러스터에서 최적의 디코딩 순서는 명백하지 않으며, 두 개 이상의 셀 또는 다수의 CoMP 사용자가 포함된 CoMP 집합에서는 전수 검색이 계산적으로 비현실적이 된다.
• SIC 기반 오류 전파 문제는 NOMA에서 여전히 핵심 과제이며, 특히 허브셀 간섭이 소셀 사용자에서 SIC를 방해할 경우 더욱 심각하다.
• 동일 주파수 이종 네트워크(HetNets)에서는 강한 세포 간 간섭으로 인해 NOMA 사용자가 신호를 디코딩하거나 제거하지 못할 수 있으며, 이에 따라 CoMP는 잠재적인 해결책이지만 복잡성이 수반된다.