[논문 리뷰] Large Intelligent Surface Assisted Non-Orthogonal Multiple Access: Performance Analysis

Lina Bariah, Sami Muhaidat외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 07. 19.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 34인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 6G 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키기 위해 대규모 지능형 표면(LIS)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 시스템을 제안한다. 끝에서 끝까지의 fading 채널을 M개의 반-나카가미-m 난수 변수의 합으로 모델링하여, 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC) 조건 하에서 비트 오류 확률(Peak Error Probability, PEP)과 분산 순서(diversity order)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다. 그 결과, LIS가 오류 성능을 크게 향상시키고, M이 클수록 전체 분산 이득을 달성함을 보여준다.

ABSTRACT

Large intelligent surface (LIS) has recently emerged as a potential enabling technology for 6G networks, offering extended coverage and enhanced energy and spectral efficiency. In this work, motivated by its promising potentials, we investigate the error rate performance of LIS-assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) networks. Specifically, we consider a downlink NOMA system, in which data transmission between a base station (BS) and $L$ NOMA users is assisted by an LIS comprising $M$ reflective elements. First, we derive the probability density function of the end-to-end wireless fading channels between the BS and NOMA users. Then, by leveraging the obtained results, we derive an approximate expression for the pairwise error probability (PEP) of NOMA users under the assumption of imperfect successive interference cancellation. Furthermore, accurate expressions for the PEP for $M = 1$ and large $M$ values ($M > 10$) are presented in closed-form. To gain further insights into the system performance, an asymptotic expression for the PEP in high signal-to-noise ratio regime, the achievable diversity order, and a tight union bound on the bit error rate are provided. Finally, numerical and simulation results are presented to validate the derived mathematical results.

연구 동기 및 목표

• 다운링크 전송에서 대규모 지능형 표면(LIS)을 활용한 비직교 다중접근(NOMA) 시스템의 오류율 성능을 분석한다.
• 기지국과 NOMA 사용자 간의 끝에서 끝까지의 fading 채널을 M개의 반-나카가미-m 분포를 가진 난수 변수의 합으로 모델링한다.
• 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC) 조건 하에서 비트 오류 확률(Peak Error Probability, PEP)에 대한 정확한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 고신호대비잡음비(SNR) 영역에서 분산 순서와 비트 오류율(Bit Error Rate, BER) 성능을 평가한다.
• 수치적 및 시뮬레이션 비교를 통해 분석 결과의 타당성을 검증한다.

제안 방법

• 기지국에서 LIS로, 그리고 LIS에서 각 사용자로의 경로 손실과 fading을 통합하여 채널 이득을 M개의 독립적인 반-나카가미-m 난수 변수의 합으로 모델링한다.
• 모멘트 기반 밀도 근사법을 사용하여 총 채널 이득의 확률밀도함수(PDF)를 유도하고, 포크의 H-함수 근사법을 통해 이를 메이저의 G-함수로 표현한다.
• 모멘트 생성 함수와 다항정리 전개를 활용하여 M개의 반-나카가미-m 변수 합의 첫 네 순간을 계산한다.
• 불완전한 SIC 조건 하에서 NOMA 사용자의 비트 오류 확률(PEP)에 대한 근사 폐쇄형 표현식을 유도하며, 이는 M=1과 큰 M(>10) 모두에 대해 유효하다.
• 고신호대비잡음비(SNR) 영역에서의 점근적 PEP 표현식을 수립하고, PEP 기울기를 활용하여 도달 가능한 분산 순서를 유도한다.
• 유도된 PEP 표현식을 바탕으로 비트 오류율(BER)에 대한 날카운 union bound를 제공한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 대규모 지능형 표면(LIS)의 도입이 다운링크 NOMA 시스템에서 비트 오류 확률(PEP)에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 반사 요소 수 M이 LIS를 활용한 NOMA 시스템의 분산 순서와 오류율 성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC) 조건 하에서 M=1과 큰 M(>10)에 대해 폐쇄형 PEP 표현식의 정확도는 어느 정도인가?
• RQ4 고신호대비잡음비(SNR) 영역에서의 점근적 PEP 행동은 어떻게 되며, 어떤 분산 이득이 달성되는가?
• RQ5 제안된 분석 모델은 BER 성능 측면에서 시뮬레이션 결과와 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• M=1과 큰 M(>10)에 대해 모두 폐쇄형으로 비트 오류 확률(PEP) 표현식을 도출하여 정확한 성능 평가가 가능해졌다.
• 시스템의 분산 순서가 M임을 입증하여, M이 증가함에 따라 전체 분산 이득을 달성함을 보여주며, 이는 신뢰성 있는 통신에 매우 중요하다.
• 고신호대비잡음비(SNR) 영역에서의 점근적 PEP 표현식은 시스템이 전체 분산을 달성함을 확인하며, 고SNR에서 PEP가 O(SNR^(-M))의 속도로 감소함을 보여준다.
• 유도된 PEP 표현식을 바탕으로 비트 오류율(BER)에 대한 날카운 union bound를 도출하였으며, 이는 시뮬레이션 결과와 매우 밀접하게 일치하여 분석 정확도를 검증한다.
• 유도된 메이저의 G-함수 표현식은 첫 네 순간만을 사용하여도 매우 정확한 근사치를 제공한다.
• 수치적 결과는 M을 증가시킬수록 오류 성능이 크게 향상됨을 확인하였으며, M이 증가함에 따라 BER이 수개의 주기수만큼 감소함을 보여준다.