[논문 리뷰] Impact of User Pairing on 5G Non-Orthogonal Multiple Access

Zhiguo Ding, Pingzhi Fan외 1명|arXiv (Cornell University)|2014. 12. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 6인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 5G 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서 사용자 쌍화 전략을 조사하며, 고정 전력 할당(F-NOMA)과 인지 라디오 기반 NOMA(CR-NOMA)를 비교한다. F-NOMA에서는 채널 조건이 극명하게 다른 사용자들을 쌍화할 경우 합성 비트 전송률이 최대화되며, CR-NOMA는 채널 조건이 열 劣한 사용자의 QoS를 우선 고려하여 쌍화를 수행하며, 강한 사용자에게는 다양도 순서 m를 달성한다. 주요 기여는 사용자 쌍화 선택에 기반한 성능 향상과 서지 행동의 분석적 특성화이다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) represents a paradigm shift from conventional orthogonal multiple access (MA) concepts, and has been recognized as one of the key enabling technologies for 5G systems. In this paper, the impact of user pairing on the performance of two NOMA systems, NOMA with fixed power allocation (F-NOMA) and cognitive radio inspired NOMA (CR-NOMA), is characterized. For FNOMA, both analytical and numerical results are provided to demonstrate that F-NOMA can offer a larger sum rate than orthogonal MA, and the performance gain of F-NOMA over conventional MA can be further enlarged by selecting users whose channel conditions are more distinctive. For CR-NOMA, the quality of service (QoS) for users with the poorer channel condition can be guaranteed since the transmit power allocated to other users is constrained following the concept of cognitive radio networks. Because of this constraint, CR-NOMA has different behavior compared to F-NOMA. For example, for the user with the best channel condition, CR-NOMA prefers to pair it with the user with the second best channel condition, whereas the user with the worst channel condition is preferred by F-NOMA.

연구 동기 및 목표

• 5G 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서 사용자 쌍화가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 고정 전력 할당(F-NOMA)과 인지 라디오 기반 NOMA(CR-NOMA)라는 두 가지 NOMA 변종을 비교하기 위해.
• 합성 비트 전송률과 서지 확률에 대한 분석적 표현을 유도하여 성능 향상 정도를 정량화하기 위해.
• 스펙트럼 효율성을 극대화하고 QoS 보장을 보장하는 최적의 쌍화 전략을 규명하기 위해.
• 하이브리드 다중접속 시스템에서 동적 사용자 쌍화를 위한 설계 지침을 제공하기 위해.

제안 방법

• F-NOMA가 오рhogonal MA보다 더 높은 합성 비트 전송률을 달성할 확률에 대한 정확한 표현을 유도하며, 고신호대역비(SNR) 근사치를 제공한다.
• F-NOMA와 전통적 MA 사이의 합성 비트 전송률 격차를 분석하여, 쌍화된 사용자 간의 채널 조건 격차가 클수록 격차가 커짐을 보여준다.
• 전송 전력이 약한 사용자의 SIR에 의해 제약을 받는 CR-NOMA 기법을 제안하여 QoS를 보장한다.
• CR-NOMA에서 강한 사용자의 정확한 서지 확률 표현을 유도하며, 다양도 순서가 m임을 보여주며, 이는 약한 사용자의 인덱스이다.
• 에르고딕 비트 전송률 분석을 활용하여, 다양한 사용자 채널 조건을 고려한 CR-NOMA의 전통적 MA 대비 성능 향상을 평가한다.
• 분석 결과를 시뮬레이션을 통해 검증하며, 이론적 표현을 여러 SNR 영역에서 몬테카를로 시뮬레이션과 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 사용자 쌍화는 F-NOMA의 합성 비트 전송률 성능에 전통적 오рhogonal 다중접속과 비교해 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 F-NOMA에서 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위한 최적의 사용자 쌍화 전략은 무엇이며, 채널 조건 격차는 성능 향상에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ3 채널 조건이 열 劣한 사용자의 QoS는 CR-NOMA의 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 CR-NOMA에서 강한 사용자가 달성하는 다양도 순서는 무엇이며, 쌍화 선택에 의해 어떻게 결정되는가?
• RQ5 약한 사용자(m)가 고정되어 있을 때, 강한 사용자(n)의 선택이 CR-NOMA의 서지 성능에 영향을 미치는가?

주요 결과

• F-NOMA는 채널 조건이 극명하게 다른 사용자들을 쌍화할 경우, 오르토곤럴 MA보다 더 높은 합성 비트 전송률을 달성할 가능성이 매우 높다.
• F-NOMA의 합성 비트 전송률 향상은 약한 채널 조건을 가진 사용자(m=1)와 가장 좋은 채널 조건을 가진 사용자(n=M)를 쌍화할 경우에 크게 증가한다.
• CR-NOMA에서 강한 사용자(n)의 서지 확률은 약한 사용자(m)의 채널 품질에 의해 지배되며, 다양도 순서는 m이다.
• m의 인덱스를 증가시켜(즉, 더 나은 품질의 약한 사용자와 쌍화할 경우), CR-NOMA에서 서지 확률은 고신호대역비에서도 크게 감소한다.
• CR-NOMA에서 약한 사용자(m)가 고정되어 있을 경우, 더 강한 사용자(n이 클수록)를 파트너로 선택해도 서지 확률 향상에 미미한 영향을 미친다. 이는 m 기반 다양도 제한 때문이기 때문이다.
• CR-NOMA에서는 가장 강한 사용자(n=M)를 두 번째로 강한 사용자(m=M−1)와 쌍화하는 것이 가장 열 劣한 사용자(m=1)와 쌍화하는 것보다 더 높은 에르고딕 비트 전송률을 달성한다. 이는 F-NOMA의 선호와는 정반대이다.