[논문 리뷰] Heterogeneous Networks with Power-Domain NOMA: Coverage, Throughput and Power Allocation Analysis

Chun‐Hung Liu, Di-Chun Liang|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 10.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 이질적 이동통신망에서 비협조적 NOMA와 협조적 공동송신 NOMA(JT-NOMA)라는 두 가지 NOMA 기법을 제안하고 분석하며, 스토하스틱 기하학을 사용하여 커버리지 확률과 Throughput에 대한 정확한 수식을 유도한다. 최적의 전력 할당이 시스템 성능을 크게 향상시킴을 보여주며, JT-NOMA는 빈번한 기지국을 활용해 가장 약한 사용자에게 서비스를 제공함으로써 공정성과 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In a heterogeneous cellular network (HetNet), consider that a base station in the HetNet is able to simultaneously schedule and serve K users in the downlink by performing the power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme. This paper aims at the preliminary study on the downlink coverage and throughput performances of the HetNet with the non-cooperative and the (proposed) cooperative NOMA schemes. First, the coverage probability and link throughput of K users in each cell are studied and their accurate expressions are derived for the non-cooperative NOMA scheme in which no BSs are coordinated to jointly transmit the NOMA signals for a particular user. We show that the coverage and link throughput can be largely reduced if transmit power allocations among the K users do not satisfy the constraint derived. Next, we analyze the coverage and link throughput of K users for the cooperative NOMA scheme in which the void BSs without users are coordinated to enhance the farthest NOMA user in a cell. The derived accurate results show that cooperative NOMA can significantly improve the coverage and link throughput of all users. Finally, we show that there exist optimal power allocation schemes that maximize the average cell coverage and throughput under some derived power allocation constraints and numerical results validate our analytical findings.

연구 동기 및 목표

• 이종 이동통신망(HetNets)에서 전력 도메인 비차별 다중접속(NOMA)을 사용하여 다운링크 커버리지 및 Throughput 성능을 분석한다.
• 비협조적 NOMA와 비어 있는 기지국이 가장 먼 사용자에게 도움을 주는 제안된 협조적 공동송신 NOMA(JT-NOMA) 기법 간의 성능 격차를 평가한다.
• 간섭과 전력 제약 조건 하에서 평균 세포 커버리지와 Throughput를 최대화하는 최적의 전력 할당 전략을 유도한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하여 전력 할당이 시스템 성능에 미치는 영향을 입증한다.

제안 방법

• 이종 이동통신망에서 기지국과 사용자의 공간 분포를 모델링하기 위해 스토하스틱 기하학을 사용하여 간섭과 신호 강도의 분석을 가능하게 한다.
• 사용자 채널 이득과 전력 할당에 기반하여 비협조적 NOMA 하에서 각 세포의 K명 사용자에 대해 커버리지 확률과 링크 Throughput에 대한 정확한 폐쇄형 수식을 유도한다.
• 비어 있는 기지국이 공동으로 신호를 송신하여 가장 약한(가장 먼) 사용자의 성능을 향상시키는 협조적 JT-NOMA 기법을 제안한다.
• 공정성과 최대 시스템 Throughput를 보장하기 위해 신호 대 간섭+노이즈비(SINR) 요구사항에서 유도된 전력 할당 제약 모델을 도입한다.
• 사용자 단말에서 다중 사용자 신호를 전력 도메인에서 복원하기 위해 연속 간섭 제거(SIC)를 적용한다.
• Weierstrass 정리를 적용하여 모든 사용자의 평균 커버리지 최대화를 위한 최적 전력 할당 벡터의 존재를 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 K명의 사용자 간 전력 할당이 유도된 전력 제약 조건을 위반할 경우, 비협조적 NOMA가 이종 이동통신망에서 커버리지와 Throughput에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 비어 있는 기지국을 활용함으로써 협조적 JT-NOMA는 세포 내 가장 약한 사용자의 커버리지와 Throughput를 어느 정도 향상시킬 수 있는가?
• RQ3 실제 제약 조건 하에서 평균 세포 커버리지와 합산 Throughput를 최대화하는 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 다양한 네트워크 조건에서 유도된 커버리지 및 Throughput 분석 수식은 수치 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 비협조적 NOMA 성능은 K명의 사용자 간 전력 할당이 유도된 전력 제약 조건을 위반할 경우 크게 악화되며, 특히 가장 약한 사용자의 커버리지와 Throughput가 감소한다.
• 협조적 JT-NOMA는 비어 있는 기지국을 활용하여 가장 먼 사용자의 신호를 향상시킴으로써 모든 사용자의 커버리지 확률과 링크 Throughput에 상당한 향상을 이룬다.
• 유도된 최적 전력 할당 전략은 평균 세포 커버리지와 Throughput를 최대화하며, 수치 시뮬레이션을 통해 분석 결과가 검증된다.
• 전력 할당 벡터가 SINR 및 전력 제약 조건에 의해 정의된 컴act하고 볼록한 탍가 영역 내에 있을 때 평균 커버리지와 Throughput가 최대화된다.
• K번째 사용자(가장 약한 사용자)의 커버리지 확률은 스토하스틱 기하학을 사용하여 폐쇄형 수식으로 유도되었으며, 전력 할당 비율과 경로 손실 지수에 대한 단조 증가적 의존성을 보여준다.
• 합산 Throughput는 사용자들의 SIR의 조화 평균을 최적화하는 전력 할당 벡터를 선택할 경우 최대화되며, 이는 공정성과 스펙트럼 효율성을 보장한다.