[논문 리뷰] Majority Based TAS/MRC Scheme in Downlink NOMA Network with Channel Estimation Errors and Feedback Delay

Mahmoud Aldababsa, Oğuz Kucur|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 03.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 다중 안테나 기지국과 다중 안테나 사용자를 갖는 다운링크 NOMA 시스템을 대상으로, 저복잡도의 다수결 기반 전송 안테나 선택(TAS-maj) 방식을 제안한다. 이는 전송 안테나 선택(TAS)과 최대 비율 복합(MRC)을 융합하여 성능을 향상시킨다. 결과적으로, 나카가미-m fading 채널에서 채널 추정 오차와 피드백 지연이 존재하는 상황에서도, 기존의 부분 최적화된 방식인 A^3 및 AIA보다 더 높은 에르고딕 합산 속도를 제공하여 전체 사용자 중 50퍼센트 이상의 사용자에서 성능 향상을 이룬다.

ABSTRACT

The antenna selection (AS) in non-orthogonal multiple access (NOMA) networks is still a challenging problem since finding optimal AS solution may not be available for all channel realizations and has quite computational complexity when it exists. For this reason, in this paper, we develop a new suboptimal solution, majority based transmit antenna selection (TAS-maj), with significant reduction in computational complexity. The TAS-maj basically selects the transmit antenna with the majority. It is more efficient when compared to previously proposed suboptimal AS algorithms, namely max-max-max (A^3) and max-min-max (AIA) because these schemes are merely interested in optimizing the performance of the strongest and weakest users, respectively at the price of worse performance for the remaining users. On the other hand, the TAS-maj scheme yields better performance for more than half of mobile users in the NOMA networks. In this paper, we consider a multiple-input multiple-output communication system, where all the nodes are equipped with multi-antenna. Besides the TAS-maj is employed at the base station, a maximal ratio combining (MRC) is also employed at each mobile user in order to achieve superior performance. The impact of the channel estimation errors (CEEs) and feedback delay (FD) on the performance of the TAS-maj/MRC scheme is studied in the NOMA network over Nakagami-m fading channels.

연구 동기 및 목표

• NOMA 네트워크에서 최적의 전송 안테나 선택(TAS)에 따른 높은 계산 복잡도 문제를 해결하기 위해.
• 강한 사용자나 약한 사용자만 최적화하는 것이 아니라, 모든 사용자 간 성능를 균형 잡는 부분 최적화된 TAS 방식을 개발하기 위해.
• 채널 추정 오차와 피드백 지연이 NOMA 시스템의 TAS/MRC 성능에 미치는 영향을 분석하기 위해.
• 나카가미-m fading 채널에서 제안된 TAS-maj 방식의 에르고딕 합산 속도와 사용자 공정성 평가하기 위해.
• 기존의 부분 최적화된 방식보다 TAS-maj가 더 많은 사용자(50퍼센트 이상)에서 뛰어난 성능을 발휘함을 입증하기 위해.

제안 방법

• 사용자들 간의 유리한 채널 이득을 가진 전송 안테나를 다수의 사용자에게 공유하는 방식으로, 다수결 기반의 부분 최적화된 TAS 방식인 TAS-maj를 제안한다.
• 각 다중 안테나 이동 단말에서 최대 비율 복합(MRC)을 적용하여 다중 수신 안테나에서 온 신호를 일관적으로 복합한다.
• 채널 추정 오차와 피드백 지연로 인한 부정확한 채널 상태 정보를 고려하여, 나카가미-m fading 채널에서의 다운링크 NOMA 시스템을 모델링한다.
• CEE(채널 추정 오차)와 FD(피드백 지연)를 모두 고려한 TAS-maj/MRC 방식의 에르고딕 합산 속도에 대해 닫힌 형태의 수식을 유도한다.
• 합산 속도와 사용자 공정성 측면에서 A^3(max-max-max) 및 AIA(max-min-max)와 같은 기존 방식과 TAS-maj의 성능을 비교한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하고, 현실적인 시스템 손상 상황에서의 성능을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 TAS-maj 방식이 A^3 및 AIA와 비교하여 에르고딕 합산 속도와 사용자 공정성 측면에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 채널 추정 오차와 피드백 지연이 NOMA 시스템에서 TAS-maj/MRC의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 TAS-maj가 기존의 부분 최적화된 방식보다 더 많은 사용자(50퍼센트 이상)에서 뛰어난 성능을 발휘할 수 있는가?
• RQ4 TAS-maj의 에르고딕 합산 속도는 다운 fading 심각도 및 안테나 수와 같은 시스템 파라미터에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ5 제안된 TAS-maj 방식에서 계산 복잡도와 성능 사이의 상충 관계는 어떠한가?

주요 결과

• TAS-maj는 특히 고 SNR 영역에서 A^3 및 AIA보다 더 높은 에르고딕 합산 속도를 달성한다.
• 제안된 방식은 A^3 및 AIA보다 더 많은 사용자(50퍼센트 이상)에서 뛰어난 성능을 발휘하여 공정성 향상을 이룬다.
• 채널 추정 오차와 피드백 지연은 에르고딕 합산 속도를 저하시키지만, TAS-maj는 이러한 손상 상황에서도 뛰어난 내성성을 유지한다.
• TAS-maj와 최적의 TAS 간 성능 격차가 작아, 낮은 복잡도에도 불구하고 높은 효율성을 보인다.
• 시뮬레이션 결과는 분석 유도 결과와 강력한 일치를 보이며, 이론적 및 실측 합산 속도 성능 간 높은 일致성을 확인한다.
• TAS-maj는 강한 사용자나 약한 사용자를 과도하게 우선시하지 않기 때문에, A^3 및 AIA보다 사용자 공정성 측면에서 뛰어난 성능을 발휘한다.