[논문 리뷰] Multiple Transmit Power Levels based NOMA for Massive Machine-type Communications

Wenqiang Yi, Wenjuan Yu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 11. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 다중 전송 전력 수준 기반 비직교 다중접근(MTNOMA) 기법을 제안하여 대량의 기계유형 통신(mMTC) 환경에서 상行 연결성과 스펙트럼 효율을 향상시킨다. 전력 지도를 통해 지역별 전송 전력 수준을 할당함으로써 오픈 루프 전력 제어를 가능하게 하여, 사용자 차단 기반의 준-그랜트프리(준-GF) 전송을 지원함으로써, 고부하 조건에서 기존의 그랜트 기반 기법보다 평균 도착률(AAR)이 최대 360% 높고, 그랜트 프리 기법보다 32배 높으며, 기기 수가 급격히 증가하더라도 성능이 안정화됨.

ABSTRACT

This paper proposes a tractable solution for integrating non-orthogonal multiple access (NOMA) into massive machine-type communications (mMTC) to increase the uplink connectivity. Multiple transmit power levels are provided at the user end to enable open-loop power control, which is absent from the traditional uplink NOMA with the fixed transmit power. The basics of this solution are firstly presented to analytically show the inherent performance gain in terms of the average arrival rate (AAR). Then, a practical framework based on a novel power map is proposed to associate a set of well-designed transmit power levels with each geographical region for handling the no instantaneous channel state information problem. Based on this framework, the semi-grant-free (semi-GF) transmission with two practical protocols is introduced to enhance the connectivity, which has higher AAR than both the conventional grand-based and GF transmissions. When the number of active GF devices in mMTC far exceeds the available resource blocks, the corresponding AAR tends to zero. To solve this problem, user barring techniques are employed into the semi-GF transmission to stable the traffic flow and thus increase the AAR. Lastly, promising research directions are discussed for improving the proposed networks.

연구 동기 및 목표

• 고밀도 기기 및 간헐적인 트래픽을 가진 대량의 기계유형 통신(mMTC) 환경에서의 확장성과 연결성 한계를 해결하기 위해.
• 기존 상행 NOMA에서 오픈 루프 전력 제어의 부재로 인해, mMTC에 부적합한 피드백 기반 닫힌 루프 제어에 의존하는 문제를 해결하기 위해.
• 실시간 채널 상태 정보(ICSI)가 필요 없이 지리적 영역을 전송 전력 수준(TPL)에 매핑하는 실용적인 프레임워크를 설계하기 위해.
• 사용자 차단 기법을 통합한 준-그랜트프리(준-GF) 전송을 통해 고부하 조건에서도 성능이 안정화되는 방식으로 mMTC의 연결성을 향상시키기 위해.
• QoS 인식 SIC, 동적 사용자 차단, MIMO 통합을 포함한 MTNOMA-mMTC의 향후 연구 방향 탐색하기 위해.

제안 방법

• mMTC 환경에서 피드백이 필요 없는 오픈 루프 전력 제어를 가능하게 하는 다중 전송 전력 수준(MTPL) 기법을 제안한다.
• 지역별로 정의된 전송 전력 수준(TPL) 집합에 지리적 영역을 매핑하는 전력 지도를 도입하여 충돌과 에너지 소비를 감소시킨다.
• 그랜트 기반 전송의 신뢰성과 그랜트 프리 접근의 유연성을 결합한 준-그랜트프리(준-GF) 전송 프rotocol를 적용한다.
• 동시 전송 기기를 제한하기 위한 사용자 차단 메커니즘을 설계하여 시스템 부하를 안정화시키고 고밀도 기기 조건에서 AAR 붕괴를 방지한다.
• 스토케스틱 기하학과 통계적 채널 모델을 사용하여 전송 전력 수준과 수신 전력 수준(RPL) 간의 매핑을 유도하고, 성능 분석을 가능하게 한다.
• 수신 전력 수준(RPL) 강도 순서에 따라 기지국에서 차례로 간섭 제거(SIC)를 수행하며, 디코딩 성공 여부는 SINR 임계값에 따라 결정된다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피드백 기반의 닫힌 루프 전력 제어에 의존하지 않고, mMTC 환경에서 오픈 루프 전력 제어를 효과적으로 구현하는 방법은 무엇인가?
• RQ2 다양한 기기 부하 조건에서 MTNOMA가 기존의 OMA 및 NOMA 대비 평균 도착률(AAR)에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 실시간 채널 상태 정보(ICSI)가 필요 없이 지리적 영역에 전송 전력 수준을 할당할 수 있는 실용적인 전력 지도를 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 활성 기기 수가 자원 블록 용량을 초과할 경우, 사용자 차단 기반 준-그랜트프리 전송이 성능 안정성과 AAR 향상에 어떻게 기여하는가?
• RQ5 QoS 인식 SIC, 동적 사용자 차단, MIMO 통합을 MTNOMA-mMTC 네트워크에 통합할 때의 주요 과제와 향후 연구 방향은 무엇인가?

주요 결과

• MTNOMA 기반 준-그랜트프리 전송는 10개의 자원 블록과 2개의 RPL 조건에서 기존의 그랜트 프리(GF) 전송 대비 최대 360% 높은 평균 도착률(AAR)을 달성한다.
• 사용자 차단 기반의 제안된 준-GF 기법은 200대의 기기가 활성화된 상태에서 10개의 RB와 4개의 RPL 조건에서 GF 전용 전송 대비 AAR를 32배 높인다.
• 사용자 차단이 없을 경우 고부하 조건에서 AAR가 급격히 감소하지만, 사용자 차단이 적용된 경우 기기 수가 증가하더라도 AAR는 안정적으로 이론적 최대치에 가까운 수준을 유지한다.
• 전력 지도 프레임워크는 지리적 및 통계적 채널 정보를 기반으로 지역별 TPL을 할당하여 효과적인 충돌 감소와 에너지 효율성을 달성한다.
• 이론적 분석을 통해 전력 지도가 적절히 설계된 경우, 장기적으로 시스템이 최적 성능을 발휘함을 확인한다.
• 향후 연구 방향으로는 짧은 패킷 통신을 위한 비정규 분포 채널 모델 개발, 기계학습 기반 전력 지도 설계 향상, QoS 인식 SIC 및 동적 사용자 차단 기능 구현이 포함된다.