[논문 리뷰] Lattice Partition Multiple Access: A New Method of Downlink Non-orthogonal Multiuser Transmissions

Fang Dong, Yu-Chih Huang외 4명|ArXiv.org|2016. 04. 18.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 7인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 다중 사용자 간의 채널 조건이 유사할 경우에도 강력한 사용자 멀티플렉싱을 가능하게 하는 새로운 다운링크 비직교 다중접근 방식인 격자 분할 다중접근(Lattice Partition Multiple Access, LPMA)을 제안한다. 이는 다중 수준 격자 코드와 모듈로 격자 연산을 활용하여 구현되며, 사용자 간의 간섭을 제거하기 위해 서로 다른 소수를 할당하고, 각 사용자의 신호에 다른 사용자들의 소수의 곱으로 가중치를 적용함으로써 순차적 간섭 제거를 가능하게 한다. 이로 인해 LPMA는 NOMA보다 28.6% 높은 Throughput를 달성하고, OMA보다는 63.7% 높은 성능을 보였다.

ABSTRACT

In this paper, we propose a new downlink non-orthogonal multiuser superposition transmission scheme for future 5G cellular networks, which we refer to as the lattice partition multiple access (LPMA). In this proposed design, the base station transmits multilevel lattice codes for multiple users. Each user's code level corresponds to a distinct prime and is weighted by a product of all distinct primes of the other users excluding its own. Due to the structural property of lattice codes, each user can cancel out the interference from the other code levels by using the modulo lattice operation in a successive/parallel manner. LPMA can overcome the drawback of non-orthogonal multiple access (NOMA), which arises when users have similar channel conditions. We demonstrate that the proposed LPMA shows a clear throughput enhancement over the current NOMA scheme.

연구 동기 및 목표

• 채널 조건이 유사할 경우 기존 NOMA의 성능 저하 문제를 해결하기 위해 스케줄링 유연성이 제한된 점을 해결한다.
• 밀도가 높은 네트워크에서 NOMA가 효과적으로 작동하기 위해 기하학적 분리를 요구하는 높은 스케줄링 복잡성을 해결한다.
• 고밀도 사용자 환경과 유사한 채널 이득 조건에서도 스펙트럼 효율성과 낮은 처리 오버헤드를 유지할 수 있는 새로운 다중접근 방식을 개발한다.
• 동적 전력 조정 없이도 구조적 전력 할당과 호환 가능한 변조 및 코딩 방식(Modulation and Coding Scheme, MCS)을 가능하게 한다.
• 채널 강도에 관계없이 사용자 간 무작위 쌍화가 가능한 격자 코드의 성질을 활용하여 저복잡도 스케줄링 알고리즘을 설계한다.

제안 방법

• 각 사용자의 신호가 고유한 소수에 대응하는 고유한 격자 분할에 해당하는 다중 수준 격자 코드를 사용한다.
• 모든 다른 사용자들의 소수의 곱으로 각 사용자의 신호를 가중하여 모듈로 도메인에서의 직교성을 확보한다.
• 각 사용자 단말(UE)에서 격자 모듈로 연산(예: mod θ_i)을 적용하여 서로소 이상의 대수적 성질을 통해 다른 사용자 신호의 간섭을 제거한다.
• 격자 기반 모듈로 연산을 통해 강한 간섭 성분을 디코딩하고 빼내는 방식으로 UE에서 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 실현한다.
• 격자 몫군과 유한체 사이의 동형성(예: ℤ[ω]/θℤ[ω] ≅ 𝔽₇)을 활용하여 동일한 전력 할당 조건에서도 신호 간의 명확한 분리를 보장한다.
• SINR 피드백 기반의 룩업 테이블을 활용하여 MCS 선택을 수행함으로써 기존 LTE 시스템과의 호환성을 확보하고, 동적 전력 조정이 필요 없도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 조건이 유사한 상황에서 격자 기반 신호 설계가 기존 NOMA의 한계를 극복하고 효과적인 사용자 멀티플렉싱을 가능하게 할 수 있는가?
• RQ2 격자 코드의 구조적 성질을 어떻게 활용하여 전력 도메인 분리에 의존하지 않고도 간섭 제거를 구현할 수 있는가?
• RQ3 LPMA는 사용자 간 채널 이득 차이에 관계없이 무작위 사용자 쌍화를 허용함으로써 고밀도 이동통신 네트워크에서 스케줄링 복잡도를 얼마나 줄일 수 있는가?
• RQ4 실제 5G 네트워크 파rameter를 기준으로 LPMA가 NOMA 및 OMA 대비 스펙트럼 효율성에서 어떤 수준의 향상을 보이는가?
• RQ5 구조적 전력 할당과 고정된 MCS 설계를 통해 LPMA는 기존 LTE 시스템과 호환성을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 동일한 시뮬레이션 환경에서 LPMA는 NOMA 대비 28.6% 높은 사용자 Throughput를 달성하여 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 입증하였다.
• LPMA는 OMA 대비 63.7% 높은 사용자 Throughput를 확보하여 스펙트럼 효율성과 다중 사용자 멀티플렉싱 능력에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 제안된 방식은 동일한 채널 이득 조건에서도 효과적인 간섭 제거가 가능함을 입증하였으며, 예제 1에서 서로소인 아이젠슈타인 소수를 사용하여 이를 확인하였다.
• 스케줄링 복잡도가 크게 감소하였는데, 이는 LPMA가 채널 이득 차이에 관계없이 라운드로빈 방식을 활용한 무작위 사용자 쌍화를 허용하기 때문이다.
• 저소음 조건 하에서 모듈로 연산 이후 잡음 분포는 무시할 수 있을 정도로 작아져, OMA의 MCS 설계를 그대로 재사용할 수 있었으며, LTE 시스템과의 후행 호환성을 보장하였다.
• 소수의 곱을 통한 구조적 전력 할당이 내재적으로 구현되어 동적 전력 조정이 필요 없고, 신호 전송 오버헤드도 감소시켰다.