[논문 리뷰] NOMA in Distributed Antenna System for Max-Min Fairness and Max-Sum-Rate

Dong-Jun Han, Minseok Choi외 1명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 중심 기지국이 비정규 다중접속(NOMA)를 통해 가까운 사용자와 멀리 떨어진 사용자를 동시에 서비스하고, 원격 라디오 유닛(RRU)이 약한(멀리 떨어진) 사용자에게만 보조 기능을 수행하는 단일셀 분산 안테나 시스템(DAS)에서 비직각 다중접속(NOMA)을 제안한다. 두 가지 전송 전략—전체 전송 및 단일 선택 전송—을 사용하며, 제안된 NOMA의 전체 전송 방식은 전력 소모가 감소한 상황에서도 전통적 NOMA, 공동 전송 NOMA, 단일 선택 방식보다 뛰어난 최소-최대 공정성 및 합산 속도 성능을 달성한다.

ABSTRACT

Distributed antenna system (DAS) has been deployed for over a decade. DAS has advantages in capacity especially for the cell edge users, in both single-cell and multi-cell environments. In this paper, non-orthogonal multiple access (NOMA) is suggested in single-cell DAS to maximize user fairness and sumrate. Two transmission strategies are considered: NOMA with single selection transmission and NOMA with blanket transmission. In a two-user scenario, the center base station (BS) uses NOMA to serve both users and the remote radio units (RRUs) serve only the weak user based on the transmission scheme. The signals sent from the RRUs are not considered as interference at both user sides. At one side, the signals from the RRUs are used to detect the required data and at the other side, the signals are used to perform successive interference cancellation (SIC). The max-min performance is studied when instantaneous channel gain information (CGI) or channel distribution information (CDI) is known at the transmitter. A closed-form expression of the upper bound is derived for the data rate of each user with only CDI. In addition, the sum-rate is studied with a minimum rate constraint when instantaneous CGI known at the transmitter. The results show that NOMA with blanket transmission gives the best performance compared to other schemes; conventional-NOMA, conventional single selection scheme and joint-transmission (JT) NOMA. It is also shown that with less transmit power, NOMA with single selection transmission gives better performance than conventional-NOMA.

연구 동기 및 목표

• 밀집된 사용자 배치를 가진 5G 이동통신 네트워크에서 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 달성하는 데 도전하는 것.
• RRU 협업과 함께 NOMA를 통합하여 단일셀 분산 안테나 시스템(DAS)에서 사용자 공정성과 합산 속도를 향상시키는 것.
• 전송기에서 실시간 채널 상태 정보(CSI) 또는 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 가질 경우 DAS 내 NOMA의 성능 향상 정도를 조사하는 것.
• 최대-최소 공정성 및 합산 속도 측면에서 제안된 NOMA 방식을 기존 NOMA, 공동 전송(JT) NOMA, 단일 선택 NOMA와 비교하는 것.

제안 방법

• 시스템 모델은 중심 기지국(BS)과 6개의 지리적으로 분산된 RRU를 포함하며, 각 RRU는 단일 안테나 전송을 수행하고, 두 사용자—가까운 사용자와 멀리 떨어진 사용자—를 서비스한다.
• 두 가지 전송 전략을 제안한다: (1) 전체 전송, 모든 RRU가 멀리 떨어진 사용자를 보조하기 위해 신호를 전송하는 방식; (2) 단일 선택 전송, 오직 한 개의 RRU만 선택하여 전송하는 방식.
• 중심 BS는 NOMA를 사용하여 서로 다른 전력 수준으로 두 사용자를 동시에 서비스하며, 근접한 사용자에서 순차적 인터페런스 제거(SIC)를 활용한다.
• 최소-최대 공정성을 확보하기 위해, 채널 분포 정보(CDI)만을 사용하여 사용자 속도의 닫힌 형식 상한선을 유도하고, 실시간 채널 정보(CGI) 및 CDI 조건 하에서 전력 할당을 최적화한다.
• 최소 속도 제약 조건 하에서 합산 속도 최대화 문제를 다루며, 실시간 채널 이득 정보(CGI) 기반으로 전력 할당을 최적화한다.
• 균일한 사용자 분포 모델을 가정한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 제안된 방식의 성능을 기존의 전통적 NOMA 및 JT-NOMA와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 DAS 내에서 전체 전송 및 단일 선택 전송 전략을 사용하는 NOMA가 기존 NOMA 및 JT-NOMA에 비해 최소-최대 공정성을 얼마나 향상시키는가?
• RQ2 전송기에서 통계적(CDI) 또는 실시간(CGI) 채널 상태 정보만 제공될 경우 사용자 데이터 속도의 달성 가능한 상한선은 무엇인가?
• RQ3 단일 선택 전송을 사용하는 NOMA가 더 낮은 총 전력 소비로도 기존 NOMA보다 뛰어난 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 최소 속도 제약 조건 하에서 합산 속도 성능은 어떻게 변하고, 공정성과 스펙트럼 효율성 사이에서 가장 우수한 트레이드오프를 제공하는 방식은 무엇인가?
• RQ5 사용자 위치 분포(가까운 사용자 대비 멀리 떨어진 사용자)가 DAS 내 NOMA의 성능에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 전체 전송 방식을 사용하는 NOMA가 최고의 최소-최대 공정성을 달성하며, 실시간 CSI 없이도 CDI 조건에서 JT-NOMA의 상한선을 초월한다.
• 전송기에서 CDI만 제공될 경우, 사용자 속도에 대한 닫힌 형식의 상한선을 유도하여 실시간 CSI 없이도 효율적인 전력 할당이 가능하다.
• 단일 선택 전송 방식을 사용하는 NOMA는 총 전력 소비가 20% 감소한 상황에서도 기존 NOMA보다 뛰어난 성능을 달성한다. 이는 집중된 RRU 협업 덕분이다.
• 최소 속도 제약 조건 하에서, 낮은 속도 요구 조건에서는 중심 집중형 전력 할당 덕분에 기존 NOMA가 가장 우수한 성능을 보이지만, 제약 조건이 증가함에 따라 제안된 방식이 이를 능가한다.
• 고 SNR 및 중간 수준의 속도 제약 조건 하에서, 제안된 NOMA 방식은 합산 속도 측면에서 기존 NOMA 및 JT-NOMA를 일관되게 능가하며, 특히 현실적인 사용자 분포 모델 하에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 결과는 RRU를 통해 오직 세포 가장자리(약한) 사용자에게만 보조 기능을 제공하는 DAS 내 NOMA가 공정성과 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다는 것을 확인한다.