[논문 리뷰] Modulation and Multiple Access for 5G Networks

Yunlong Cai, Zhijin Qin외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 02. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 72인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 5G 네트워크를 위한 고급 변조 및 다중접속(MA) 기법에 대한 종합적인 서베이를 제공하며, 정규 다중접속(OMA)에서 스펙트럼 효율성, 밴드 외 누설, 비트 오류율을 중심으로 다루고, 파워 도메인, 코드 도메인, 다중 도메인 NOMA와 같은 비정규 다중접속(NOMA) 기법을 평가한다. 이는 수신기 복잡성과 간섭 문제에도 불구하고, 동일한 리소스 블록에 여러 사용자를 멀티플렉싱할 수 있기에 스펙트럼 효율성을 크게 향상시키고 대량 연결을 지원한다는 점을 입증한다.

ABSTRACT

Fifth generation (5G) wireless networks face various challenges in order to support large-scale heterogeneous traffic and users, therefore new modulation and multiple access (MA) schemes are being developed to meet the changing demands. As this research space is ever increasing, it becomes more important to analyze the various approaches, therefore in this article we present a comprehensive overview of the most promising modulation and MA schemes for 5G networks. We first introduce the different types of modulation that indicate their potential for orthogonal multiple access (OMA) schemes and compare their performance in terms of spectral efficiency, out-of-band leakage, and bit-error rate. We then pay close attention to various types of non-orthogonal multiple access (NOMA) candidates, including power-domain NOMA, code-domain NOMA, and NOMA multiplexing in multiple domains. From this exploration we can identify the opportunities and challenges that will have significant impact on the design of modulation and MA for 5G networks.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 정규 다중접속(OMA)을 위한 신규 변조 기법을 분석하고 비교함으로써 스펙트럼 효율성, 밴드 외 누설, 비트 오류율에 중점을 둔다.
• 대량 연결과 높은 스펙트럼 효율성을 지원하기 위한 비정규 다중접속(NOMA) 기법—파워 도메인, 코드 도메인, 다중 도메인 NOMA—를 평가한다.
• OFDM 및 필터링 기법과 같은 기존 변조 기법과의 통합 과정에서의 핵심 과제와 기회를 규명한다.
• 전파 손상과 노이즈가 심각한 고주파 대역(mmWave/THz)에서 변조와 NOMA의 통합 설계를 탐색한다.
• NOMA 시스템에서 다중 사용자 검출 및 순차 간섭 제거(SIC) 및 메시지 전달 알고리즘(MPA)과 같은 고급 검출 방법의 성능을 평가한다.

제안 방법

• 외부 누설 감소 및 스펙트럼 효율성 향상을 위해 전통적 OFDM 및 그 변종(예: 필터링된 OFDM, 펄스 형상 OFDM, 예측 편성 OFDM)을 서베이하고 비교한다.
• 사용자를 파워 도메인에서 슈퍼포지션 코딩과 수신기에서의 순차 간섭 제거(SIC)를 사용해 멀티플렉싱하는 파워 도메인 NOMA를 분석한다.
• 희박한 스프레드 코드와 다차원 변조 위상도를 사용해 비정규 사용자 멀티플렉싱을 가능하게 하는 코드 도메인 NOMA 기법(예: LDS-CDMA, LDS-OFDM, SCMA, PDMA, BOMA, LPMA)을 평가한다.
• 파워, 코드, 공간 도메인에서 사용자를 멀티플렉싱하는 다중 도메인 NOMA(PDMA, BOMA 등)를 도입하여 다양성과 시스템 용량을 향상시킨다.
• 간섭을 줄이고 검출 성능을 향상시키기 위해 변조 기법(f-OFDM 등)과 NOMA 기법(SCMA 등) 간의 통합 설계 접근법을 제안한다.
• SCMA 및 PDMA에서 메시지 전달 알고리즘(MPA)과 SIC 검출을 적용해 근사 최적 성능을 달성하며, 특히 유사한 지연 프로파일을 가진 사용자 군집화 시에 유리하다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 필터링, 펄스 형상, 예측 편성 등의 고급 변조 기법은 5G의 OFDM 기반 OMA에서 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키고 밴드 외 누설을 줄이는가?
• RQ2 SIC에 의한 오류 전파를 고려할 때, 파워 도메인 NOMA의 스펙트럼 효율성, 사용자 공정성, 성능 트레이드오프는 어떠한가?
• RQ3 SCMA, PDMA와 같은 코드 도메인 NOMA 기법은 기존 OMA에 비해 더 높은 스펙트럼 효율성과 더 많은 사용자 지원을 어떻게 달성하는가?
• RQ4 코드 도메인 NOMA의 최적 코드북 및 사용자 군집 설계 과제는 무엇이며, 변조-NOMA 통합 설계가 간섭을 어떻게 완화할 수 있는가?
• RQ5 mmWave 및 THz 대역은 NOMA 성능에 어떤 영향을 미치며, 고주파 NOMA 시스템에서 노이즈, 위상 노이즈, 캐리어 주파수 오프셋의 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 파워 도메인 NOMA는 수신기에서 SIC를 사용해 사용자를 파워 도메인에서 멀티플렉싱함으로써 높은 스펙트럼 효율성을 달성하지만, 사용자 쌍화가 필요하고 오류 전파에 민감하다.
• SCMA 및 PDMA와 같은 코드 도메인 NOMA 기법은 희박한 스프레드 코드와 다차원 변조 위상도를 사용해 더 높은 스펙트럼 효율성과 다양성 이득을 제공하며, 자원 블록당 더 많은 사용자를 지원한다.
• LDS-OFDM 및 LDS-CDMA는 순간적인 CSI가 필요 없이 근사 최적의 MPA 검출 성능을 달성하지만, 코딩의 부가 정보와 철저한 코드북 설계가 필요하다.
• SCMA 및 PDMA는 MPA 검출과 SIC를 결합해 근사 최적 성능을 달성하며, 특히 유사한 지연 프로파일을 가진 사용자 군집에서 유리하다.
• f-OFDM와 SCMA의 통합 설계가 짧은 사이클릭 프리픽스로 인한 인터-symbol 간섭(ISI) 및 인터-carrier 간섭(ICI)을 완화하기 위해 필수적이다.
• 고주파 대역(mmWave/THz)은 노이즈, 위상 노이즈, 캐리어 주파수 오프셋으로 인해 심각한 과제를 야기하지만, 적절한 전력 제어 및 강건한 수신기 설계를 통해 NOMA는 여전히 타당한 솔루션으로 남아 있다.