[논문 리뷰] MIMO-NOMA Design for Small Packet Transmission in the Internet of Things

Z. Ding, Lang Dai외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 03. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 20

한 줄 요약

이 논문은 채널 조건이 유사한 사용자가 존재하는 환경에서도 한 사용자에 대해 저지연 QoS를 보장하는 IoT 소형 패킷 전송을 위한 새로운 MIMO-NOMA 방식을 제안한다. 사용자 1의 효과적 채널 이득을 의도적으로 떨어뜨리고 사용자 2의 이득을 향상시키기 위해 조작된 선형화 행렬을 설계하고, 두 가지 전력 할당 정책을 사용함으로써, 본질적인 채널 차이에 의존하지 않고도 NOMA 성능 향상을 달성한다. 이는 저속도 사용자에 대해 엄격한 아웃리지 성능 보장을 가능하게 하고, 고속도 사용자에 대해 스펙트럼 효율을 향상시킨다.

ABSTRACT

A feature of the Internet of Things (IoT) is that some users in the system need to be served quickly for small packet transmission. To address this requirement, a new multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access (MIMO-NOMA) scheme is designed in this paper, where one user is served with its quality of service (QoS) requirement strictly met, and the other user is served opportunistically by using the NOMA concept. The novelty of this new scheme is that it confronts the challenge that most existing MIMO-NOMA schemes rely on the assumption that users' channel conditions are different, a strong assumption which may not be valid in practice. The developed precoding and detection strategies can effectively create a significant difference between the users' effective channel gains, and therefore the potential of NOMA can be realized even if the users' original channel conditions are similar. Analytical and numerical results are provided to demonstrate the performance of the proposed MIMO-NOMA scheme.

연구 동기 및 목표

• 채널 조건이 유사한 IoT 환경에서 전통적인 MIMO-NOMA 기법이 강한 채널 차이에 의존하기 때문에 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위해, 채널 차이가 크지 않은 상황에서도 NOMA를 구현할 수 있는 방법을 모색한다.
• 저속도 사용자의 효과적 채널 이득을 의도적으로 떨어뜨리고 고속도 사용자의 이득을 향상시킬 수 있는 선형화 전략을 설계하여, 원래 채널 조건이 유사한 상황에서도 NOMA 성능 향상을 달성한다.
• 두 가지 전력 할당 정책을 개발한다: 하나는 장기적인 QoS 준수(목표 아웃리지 확률)를 보장하고, 다른 하나는 각 채널 실현값에서 즉각적인 데이터 전송률 만족을 보장한다.
• 분석적 경계 기법과 시뮬레이션을 통해 고속도 사용자의 아웃리지 성능을 분석하고, 다양한 신호 대 잡음비(SNR) 및 안테나 구성 조건에서의 성능을 평가한다.

제안 방법

• 기지국에서 두 사용자 간 효과적 채널 이득의 큰 차이를 만들 수 있도록 선형화 행렬을 설계하여, 원래 채널 조건이 유사한 경우에도 효과적인 성능 차이를 유도한다.
• 선형화 전략은 사용자 1의 효과적 채널을 악화시키고 사용자 2의 채널을 향상시켜, NOMA에서의 순차적 인터패리어 캔슬레이션(SIC)을 성공적으로 수행할 수 있도록 한다.
• 두 가지 전력 할당 정책을 도입한다: 정책 I은 사용자 1의 장기적 아웃리지 확률 준수를 보장하고, 정책 II는 각 채널 실현값에서 사용자 1의 즉각적인 데이터 전송률 만족을 보장한다.
• 아웃리지 확률에 대한 분석적 표현을 경계 기법을 사용해 유도하였으며, 정확한 표현과 고SNR 근사식을 제공하였다.
• 다양한 SNR 수준과 안테나 구성 조건에서 분석 결과와 몬테카를로 시뮬레이션 간의 비교를 통해 성능을 검증하였다.
• 향후 연구 방향으로, 역 위샤르트 분포 행렬의 대각성분의 순서 통계를 분석하여 사용자 2의 폐쇄형 아웃리지 표현을 유도하는 데 초점을 맞출 것이다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 조건이 유사한 상황에서 MIMO 시스템에서 NOMA가 강한 채널 차이가 없다는 가정과는 반대로 높은 스펙트럼 효율 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ2 어떻게 선형화를 설계하여 한 사용자의 효과적 채널을 의도적으로 악화시키고 다른 사용자의 채널을 향상시킬 수 있는가? 이를 통해 대칭적인 채널 조건에서도 NOMA 운영이 가능하게 할 수 있는가?
• RQ3 저속도 IoT 사용자의 QoS를 장기적으로(아웃리지 확률 기반) 및 즉각적으로(목표 데이터 전송률 기반) 보장할 수 있는 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ4 고속도 사용자의 아웃리지 성능는 어떻게 되며, 전송 SNR 및 안테나 수와 어떻게 상관관계를 가지는가?
• RQ5 고속도 사용자에 대한 아웃리지 확률에 대한 분석적 표현을 유도할 수 있으며, 이는 시뮬레이션 결과와 얼마나 정확한가?

주요 결과

• 전력 할당 정책 I 하에서 사용자 1의 시뮬레이션 결과와 분석 결과의 아웃리지 확률 곡선이 완벽하게 일치하여, 장기적 QoS 준수가 확인되었다.
• 전력 할당 정책 II 하에서 사용자 1의 아웃리지 성능는 모든 전력이 사용자 1에게 할당된 시스템의 이론적 경계와 일치하여, 즉각적인 QoS 만족이 입증되었다.
• 사용자 2의 아웃리지 확률 곡선은 정확한 분석식 (39)과 고SNR 근사식 (40)과 일치하며, 후자는 고SNR 영역에서만 정확하다.
• 고SNR에서 사용자 2의 다각도 성능은 모든 계층에서 1로 일정하며, 기지국 안테나 수에 관계없이 동일하게 유지되어, 제4절-B1에서의 분석 결과를 확인한다.
• 전력 할당 정책 I은 정책 II보다 사용자 2의 아웃리지 성능가 더 우수하여, QoS 보장과 스펙트럼 효율 간의 상충 관계를 확인한다.
• 사용자 2의 아웃리지 확률 곡선의 기울기는 계층 인덱스가 증가할수록 커지며, 이는 분석 결과에서 예측한 바와 같이 초기 계층에서 더 높은 다각도 성능을 가지는 것을 의미한다.