[논문 리뷰] Non-orthogonal Multiple Access as an Enabler for Massive Connectivity for 5G and Beyond Networks

Vimal Bhatia, Pragya Swami외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 12. 15.

Molecular Communication and Nanonetworks인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 전력 도메인 비직교 다중접속(PD-NOMA)을 제5세대 및 그 이후 네트워크에서 대량 연결을 위한 핵심 기반 기술로 제안하며, 전력 도메인 multiplexing를 통해 동일한 자원 블록을 다수 사용자가 공유할 수 있도록 한다. 후속 간섭 제거(SIC)와 채널 품질 기반 전력 할당을 활용함으로써, 기존의 직교 다중접속(OMA)에 비해 스펙트럼 효율성을 높이고, 더 많은 동시 사용자를 지원하며, 공정성과 자원 활용도를 향상시킨다.

ABSTRACT

Two of the most challenging goals to be achieved in the fifth generation (5G) and beyond communication are massive connectivity and higher capacity. The use of traditional orthogonal multiple access techniques limits the number of users that can be served using the available resources due to orthogonality constraint. Moreover, the available resources may not be utilized effectively by the alloted users thereby resulting in inefficiency and user unfairness. This imposes a severe drawback in cases where the number of users to be served are high, like in the 5G networks. Hence, introducing non-orthogonality to the multiple access scheme is advocated as a supreme methodology to serve multiple users simultaneously, thereby enhancing the connectivity. In scenarios with massive number of users, non-orthogonal multiple access scheme increases the number of active connections by superimposing the signal of multi-users on a same resource block, thereby also utilizing the available resources efficiently.

연구 동기 및 목표

• 자원 할당 제약으로 인해 동시에 서비스 가능한 사용자 수가 제한되고 스펙트럼 사용이 비효율적인 5G 네트워크에서 직교 다중접속(OMA)의 한계를 해결하기 위해.
• 고밀도 연결 환경에서 열악한 채널 조건을 가진 사용자가 자원를 점유하고도 효과적으로 활용되지 않아 발생하는 비효율을 해결하기 위해.
• 동일한 자원 블록에 다수 사용자를 동시에 전송할 수 있도록 전력 도메인 multiplexing를 활용하는 PD-NOMA를 열악한 대안으로 제안하기 위해.
• 대규모 MIMO, 드론 기반 통신(UAV), 전반공역 통신, 가시광선 통신과 같은 신규 5G 기술과 NOMA를 통합하여 시스템의 확장성과 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 사용자 쌍화, 간섭 관리, 채널 상태 정보가 완벽하지 않은 조건에서도 안정성을 확보하는 데 있어 주요 과제를 해결하기 위해.

제안 방법

• 동일한 시간-주파수 자원 블록에 다수 사용자를 전력 도메인에서 multiplexing하는 전력 도메인 비직교 다중접속(PD-NOMA)을 적용한다.
• 수신단에서 후속 간섭 제거(SIC)를 적용: 채널 조건이 우수한 사용자가 먼저 신호를 디코딩하고 제거함으로써 약한 사용자 신호의 검출을 가능하게 한다.
• 역전력 할당을 적용: 채널 조건이 열 劣한 사용자에게 더 높은 전력을 할당하여 신뢰성 있는 검출과 공정성 향상을 보장한다.
• 전반공역(FD) 통신과 같은 다른 5G 기술과 통합: 동일 대역에서 상行 및 하향 전송을 동시에 수행함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.
• PD-NOMA와 희소 코드 다중접속(SCMA)을 조합한 하이브리드 다중접속(HMA) 기반의 제안: 셀 중심 및 셀 엣지 사용자를 그룹화하고 서로 다른 접근 기법을 통해 서비스한다.
• HMA에서 메시지 전달 알고리즘(MPA)과 SIC 기반 검출을 활용하여 다중 사용자 검출을 관리하고 이질적인 사용자 분포 환경에서의 스펙트럼 효율성을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PD-NOMA는 제5세대 네트워크에서 기존의 직교 다중접속(OMA)에 비해 스펙트럼 효율성과 대량 연결 지원에 어떻게 기여하는가?
• RQ2 사용자 간 채널 이득 차이가 NOMA 시스템 성능에 미치는 영향은 무엇이며, 특히 시스템 스루풋과 공정성 측면에서 어떠한가?
• RQ3 전반공역 통신과 NOMA를 효과적으로 통합하면 상행 및 하행 전송 용량을 어떻게 향상시키고 더 많은 동시 연결을 지원할 수 있는가?
• RQ4 UAV 기반 네트워크와 NOMA를 통합할 경우의 이점과 과제는 무엇이며, 특히 사용자 연결성과 자원 할당 측면에서 어떠한가?
• RQ5 PD-NOMA와 SCMA를 조합한 하이브리드 다중접속(HMA) 기반의 시스템은 이질적인 네트워크 환경에서 스펙트럼 효율성과 사용자 용량을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• PD-NOMA는 동일한 자원 블록을 다수 사용자가 공유할 수 있도록 함으로써, OMA의 직교성 제약을 초월하여 동시에 활성화되는 사용자 수를 크게 증가시킨다.
• 채널 조건이 열 劣한 사용자에게 더 높은 전력을 할당함으로써 NOMA는 사용자 간 공정성을 향상시키고, 특히 셀 엣지 사용자에 대해서도 신뢰성 있는 검출을 보장한다.
• 후속 간섭 제거(SIC)는 강한 사용자 신호를 먼저 디코딩하고 제거함으로써 약한 사용자 신호의 신뢰성 있는 검출을 가능하게 하여 다중 사용자 간섭을 감소시킨다.
• NOMA와 전반공역(FD) 통신을 통합하면 동일 대역에서 상행 및 하향 전송을 동시에 수행할 수 있어 스펙트럼 효율성을 향상시키고 더 많은 기기 연결을 지원할 수 있다.
• PD-NOMA와 SCMA를 조합한 하이브리드 다중접속(HMA) 기반의 시스템은 이질적인 사용자 분포 환경에서 단독으로 사용되는 PD-NOMA나 SCMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성과 더 많은 사용자 용량을 제공한다.
• 비록 장점이 많지만 NOMA는 채널 추정 오차에 민감하고 이셀 간섭 문제가 있으며, 대규모 MIMO 및 다셀 환경에서 최적의 사용자 쌍화가 필요로 하는 과제를 안고 있다.