[논문 리뷰] Fairness Comparison of Uplink NOMA and OMA

Zhiqiang Wei, Jiajia Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 22인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 사용자 데이터 비율이 시스템 합산 비트 전송률에 기여하는 방식을 분석함으로써 상行 NOMA와 OMA 사이의 정의 기반 선택 기준을 제안한다. 비대칭 채널에서 NOMA가 OMA보다 더 높은 정의를 제공할 수 있는 조건을 판단하기 위해 Jain의 지수를 기반으로 한 폐쇄형 정의 지표를 도입하였으며, 제안된 기준에 따라 자동으로 NOMA 또는 OMA를 선택하는 하이브리드 NOMA-OMA 방식을 설계하여 시뮬레이션을 통해 검증된 결과, 하이브리드 방식의 Jain의 지수는 0.91로 나타나 사용자 정의가 크게 향상됨을 확인하였다.

ABSTRACT

In this paper, we compare the resource allocation fairness of uplink communications between non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes and orthogonal multiple access (OMA) schemes. Through characterizing the contribution of the individual user data rate to the system sum rate, we analyze the fundamental reasons that NOMA offers a more fair resource allocation than that of OMA in asymmetric channels. Furthermore, a fairness indicator metric based on Jain's index is proposed to measure the asymmetry of multiuser channels. More importantly, the proposed metric provides a selection criterion for choosing between NOMA and OMA for fair resource allocation. Based on this discussion, we propose a hybrid NOMA-OMA scheme to further enhance the users fairness. Simulation results confirm the accuracy of the proposed metric and demonstrate the fairness enhancement of the proposed hybrid NOMA-OMA scheme compared to the conventional OMA and NOMA schemes.

연구 동기 및 목표

• 비대칭 채널 조건을 가진 상행 링크 시스템에서 NOMA가 OMA보다 더 나은 자원 할당 정의를 제공하는 이유를 분석하는 것.
• 두 사용자 시스템에서 NOMA가 OMA보다 더 정의적인지 판단할 수 있는 정량적 정의 지표를 개발하는 것.
• 제안된 정의 지표에 기반해 NOMA 또는 OMA를 자동으로 선택하는 하이브리드 NOMA-OMA 방식을 설계하여 정의를 추가로 향상시키는 것.
• 제안된 지표의 정확성을 검증하고, 시뮬레이션을 통해 하이브리드 방식의 정의 향상 효과를 입증하는 것.

제안 방법

• 각 사용자의 데이터 전송률이 시스템 합산 전송률에 기여하는 방식을 분석하여, 비대칭 채널에서 NOMA가 내재적으로 정의 우월성을 가지는 이유를 설명한다.
• 채널 이득 비율과 임계값 β에 기반한 폐쇄형 정의 지표를 제안하며, 이는 NOMA의 Jain의 정의 지수가 OMA의 지수를 초과하는 조건에서 유도된다.
• 실제 조건에서 의사결정을 단순화하기 위해 정의 지표의 고신호 대역률 근사식을 도입한다.
• 정의 지표가 NOMA가 더 정의적이라면 NOMA를 선택하고, 그렇지 않으면 OMA를 선택하는 하이브리드 NOMA-OMA 방식을 설계한다.
• 정의 성능을 정량적으로 평가하고 NOMA, OMA, 하이브리드 방식 간의 정의 수준을 비교하기 위해 Jain의 지수를 정의 지표로 사용한다.
• Rayleigh fading 채널과 3GPP 경로 손실 모델을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 제안된 지표와 방식의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 왜 비대칭 채널 이득 조건을 가진 상행 링크 시스템에서 NOMA는 OMA보다 내재적으로 더 나은 자원 할당 정의를 제공하는가?
• RQ2 사용자 전송률 분포 측면에서 어떤 채널 조건에서 NOMA가 OMA보다 더 정의적인가?
• RQ3 두 사용자 상행 링크 시스템에서 NOMA가 OMA를 초월할 수 있는 정의 성능을 예측할 수 있는 폐쇄형 지표를 유도할 수 있는가?
• RQ4 적응형 하이브리드 NOMA-OMA 방식은 단독으로 사용되는 NOMA 또는 OMA보다 정의를 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 제안된 하이브리드 방식은 다중-carrier 시스템에서 저전송률 사용자의 정의를 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 정의 지표는 NOMA가 OMA보다 더 정의적인지 정확하게 예측하며, 시뮬레이션 결과는 이론적 예측과 매우 유사하게 일치한다.
• 고신호 대역률 영역에서 NOMA가 OMA보다 더 정의적인 확률은 약 0.75~0.8이며, 주로 채널 이득 비율과 사용자 전송률 간의 로그적 매핑 때문인 것으로 분석된다.
• 하이브리드 NOMA-OMA 방식은 Jain의 정의 지수 0.91을 달성하여, NOMA(0.76)와 OMA(0.62)보다 유의미하게 높은 정의를 확보하였다.
• 하이브리드 방식에서 10번째 백분위수 사용자 전송률은 약 1 bit/s/Hz 증가하여 저전송률 사용자의 성능 향상이 확인되었다.
• 고전압 전송 영역에서는 NOMA의 정의가 간섭 제한으로 인해 열악해지지만, 여전히 약 0.75의 확률로 OMA보다 더 정의적인 편이다.
• 전송 전력 증가에 따라 NOMA가 OMA보다 더 정의적인 확률은 감소하며, 이는 고전압 영역에서 NOMA가 간섭 제한 상태에 들어가기 때문이다.