[논문 리뷰] Energy-Efficient NOMA Enabled Heterogeneous Cloud Radio Access Networks

Fuhui Zhou, Yongpeng Wu외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 12

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 비정렬 다중접근(NOMA)을 통합한 에너지 효율적인 이종 클라우드 무선접근망(H-CRAN) 프레임워크를 제안한다. 기존의 정렬 다중접근(OMA)을 초월하여, 클라우드 기반 베이스밴드 처리와 원격 무선 헤드(RRH)를 결합한 이 프레임워크는 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 향상시킨다. NOMA를 매크로 MIMO, 인지 무선(CR), 밀리미터웨이브(mmWave), 무선 충전, 협동 리레이딩, 디바이스 투 디바이스(D2D) 통신과 융합함으로써, 높은 시스템 용량과 매크로 연결성을 실현하며, 성능 평가를 통해 그 타당성이 입증되었다.

ABSTRACT

Heterogeneous cloud radio access networks (H-CRANs) are envisioned to be promising in the fifth generation (5G) wireless networks. H-CRANs enable users to enjoy diverse services with high energy efficiency, high spectral efficiency, and low-cost operation, which are achieved by using cloud computing and virtualization techniques. However, H-CRANs face many technical challenges due to massive user connectivity, increasingly severe spectrum scarcity and energy-constrained devices. These challenges may significantly decrease the quality of service of users if not properly tackled. Non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes exploit non-orthogonal resources to provide services for multiple users and are receiving increasing attention for their potential of improving spectral and energy efficiency in 5G networks. In this article a framework for energy-efficient NOMA H-CRANs is presented. The enabling technologies for NOMA H-CRANs are surveyed. Challenges to implement these technologies and open issues are discussed. This article also presents the performance evaluation on energy efficiency of H-CRANs with NOMA.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 연결성과 낮은 지연을 요구하는 에너지 효율적이고 고용량의 5G 네트워크에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• 스펙트럼 부족, 에너지 제약이 있는 장치, 그리고 고밀도 사용자 장비에서 발생하는 간섭과 같은 H-CRAN의 과제를 해결하기 위해.
• 기존의 정렬 다중접근(OMA)을 초월하여 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 H-CRAN에 비정렬 다중접근(NOMA)을 통합하기 위해.
• 매크로 MIMO, 인지 무선, mmWave, D2D 통신과 같은 신기술과 NOMA를 융합한 H-CRAN에서의 실현 가능성과 성능을 조사하기 위해.
• 실제 5G 시스템에 구현 가능한 H-CRAN 내에서 NOMA를 구현하는 데 있어 핵심 기술 과제와 열린 문제점을 규명하기 위해.

제안 방법

• 베이스밴드 처리를 BBU 풀에 중앙집중화하고, 원격 무선 헤드(RRH)가 무선 신호 송수신을 담당하는 NOMA 기반 H-CRAN용 새로운 프레임워크를 제안한다.
• 채널 이득이 다른 사용자에게 다른 전력 수준을 할당하여 동일한 주파수 대역과 타이머 슬롯에서 다수의 사용자를 동시에 서비스하기 위해 전력 도메인 NOMA를 활용한다.
• 사용자 장비에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하여 목적 신호를 디코딩하고 상호 사용자 간섭을 억제한다.
• 공간 다중접속 이득을 제공하는 매크로 MIMO, 스펙트럼 공유를 가능하게 하는 인지 무선(CR), 고대역폭 링크를 제공하는 mmWave, 에너지 수확을 가능하게 하는 무선 충전과 같은 유효 기술을 통합한다.
• 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 간섭을 완화하기 위해 강건한 프리코딩 설계 기법을 제안한다.
• 에너지 효율성(EE)과 스펙트럼 효율성(SE) 측면에서 시스템 성능을 평가하여 기존의 OMA 기반 H-CRAN에 비해 성능 향상을 입증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 H-CRAN에 효과적으로 NOMA를 통합하여 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 향상시키고 매크로 연결성을 지원할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 매크로 MIMO와 H-CRAN에서 NOMA를 융합할 때 주로 발생하는 피LOT 오염과 불완전한 CSI 문제는 무엇인가?
• RQ3 인지 무선 기법을 어떻게 활용하여 NOMA H-CRAN에서 동적 스펙트럼 접근을 가능하게 하면서 동시에 면허 소유 사용자를 보호할 수 있는가?
• RQ4 방향성 전송을 고려할 때 mmWave H-CRAN에서 다중 사용자 NOMA를 지원하기 위해 필요한 비드포밍 및 자원 할당 전략은 무엇인가?
• RQ5 NOMA와 무선 에너지 수확 및 D2D 통신을 융합할 경우, 보안 및 간섭 관리 메커니즘은 어떤 것이 필요한가?

주요 결과

• 제안된 NOMA H-CRAN 프레임워크는 기존의 OMA 기반 H-CRAN에 비해 에너지 효율성과 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.
• NOMA와 매크로 MIMO를 융합함으로써 시스템 용량이 증가하고 매크로 연결성이 가능해지지만, 피LOT 오염과 불완전한 CSI는 여전히 핵심 과제로 남아 있다.
• 인지 무선 기법은 NOMA H-CRAN에서 동적 스펙트럼 공유를 가능하게 하지만, 면허 소유 사용자를 보호하기 위해 고도의 간섭 관리 기법이 필요하다.
• NOMA H-CRAN에서 mmWave 통신은 고속 데이터 전송을 가능하게 하지만, 경로 손실과 차단 문제를 극복하기 위해 고도의 비드포밍이 요구된다.
• NOMA H-CRAN에서 무선 충전은 RF 신호가 데이터 전송과 에너지 공급의 이중 기능을 수행하므로 보안 위험이 발생하며, 이에 대비한 안전한 전송 기법이 필요하다.
• NOMA H-CRAN에서 협동 리레이딩과 D2D 통신은 성능과 복잡도의 균형을 맞추기 위해 최적화된 사용자 쌍화 및 전력 할당 전략이 필요하다.