[논문 리뷰] Joint Pilot and Payload Power Control for Uplink MIMO-NOMA with MRC-SIC Receivers

Zhiqiang Wei, Derrick Wing Kwan Ng외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 MRC-SIC 수신기를 갖춘 업링크 MIMO-NOMA에서 채널 추정 오차로 인한 오류 전파를 완화하기 위해 공동 팩스트 및 페이로드 전력 할당(JPA) 방식을 제안한다. 최소 가중 평균 SINR를 최대화하기 위해 비볼록 최적화 문제를 수립하고 기하학적 프로그래밍을 통해 이를 해결함으로써, 특히 중간 수준의 에너지 예산 영역에서 기존의 기준 전력 할당 방법보다 뛰어난 BER 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This letter proposes a joint pilot and payload power allocation (JPA) scheme to mitigate the error propagation problem for uplink multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO-NOMA) systems. A base station equipped with a maximum ratio combining and successive interference cancellation (MRC-SIC) receiver is adopted for multiuser detection. The average signal-to-interference-plus-noise ratio (ASINR) of each user during the MRC-SIC decoding is analyzed by taking into account the error propagation due to the channel estimation error. Furthermore, the JPA design is formulated as a nonconvex optimization problem to maximize the minimum weighted ASINR and is solved optimally with geometric programming. Simulation results confirm the developed performance analysis and show that our proposed scheme can effectively alleviate the error propagation of MRC-SIC and enhance the detection performance, especially for users with moderate energy budgets.

연구 동기 및 목표

• MRC-SIC 복원 중 채널 추정 오차로 인해 발생하는 오류 전파 문제를 해결하기 위해.
• 전체 에너지 예산 제약 조건 하에서 팩스트 및 페이로드 전력 할당을 공동 최적화하여 시스템의 공정성과 신뢰성을 향상시키기 위해.
• 사용자 간 최소 가중 평균 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(ASINR)을 최대화하여 전체 검출 성능을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 최소 가중 평균 ASINR를 최대화하기 위해 공동 팩스트 및 페이로드 전력 할당(JPA) 문제를 비볼록 최적화 문제로 수립한다.
• 채널 추정 오차(CEE)와 잔류 간섭을 고려하여 MRC-SIC 복원 중 각 사용자의 평균 SINR(ASINR)를 분석한다.
• 실제 시스템에서의 채널 추정을 모델링하기 위해 최소 제곱 오차(MMSE) 채널 추정기를 사용한다.
• 비볼록 JPA 문제의 전역 최적 해를 도출하기 위해 기하학적 프로그래밍을 적용한다.
• 코드워드 수준의 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 적용하여 코딩 이득을 활용하고 오류 내성 능력을 향상시킨다.
• 실제 적용 가능성을 확보하기 위해 팩스트 및 페이로드 전력에 에너지 예산 제약 조건을 도입한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 추정 오차는 업링크 MIMO-NOMA의 MRC-SIC 복원에서 평균 SINR와 오류 전파에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 고정된 총 에너지 예산 하에서 오류 전파를 최소화하기 위해 팩스트 전력과 페이로드 전력 간 최적의 트레이드오프는 무엇인가?
• RQ3 기존의 방법과 비교해 볼 때 팩스트 및 페이로드 전력의 공동 최적화가 BER 성능을 상당히 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 특히 중간 대비 고전력 시나리오에서, 제안된 JPA 방식은 다양한 에너지 예산 영역에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ5 기존의 전력 할당 전략과 비교했을 때 JPA 방식은 재정적 공정성 지수(Jain’s fairness index) 측면에서 얼마나 공정성을 향상시키는가?

주요 결과

• 제안된 JPA 방식은 사용자 1, 2, 3에서 팩스트 전력 전용(PPA) 방식보다 최소 2 dB 높은 ASINR를 확보하여 간섭 완화 능력이 뛰어나다는 것을 입증한다.
• JPA 방식의 Jain의 공정성 지수(JFI)는 0.9983에 도달하여 PPA 방식(0.9436)과 EPA 방식(0.6174)보다 뚜렷이 높아 공정성이 향상됨을 나타낸다.
• 모든 사용자에서 JPA 방식의 BER 성능이 상당히 낮게 나타나며, 특히 코딩된 시스템에서는 제안된 최적화 하에 모든 사용자에서 BER이 10⁻³ 이하로 유지된다.
• JPA 방식의 BER 향상은 중간 에너지 예산 영역에서 가장 두드러지며, 이는 채널 추정 정확도가 전력 할당에 가장 민감하게 영향을 받는 영역이기 때문이다.
• IUI, CEE, SIC 오류 전파의 복합적 영향으로 인해 BER 영역 10⁻²에서 10⁻⁵ 사이에 오류 바닥이 나타나며, 이는 반복 수신기를 통해 추가로 향상 가능할 여지를 시사한다.