[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access combined with Random Linear Network Coded Cooperation

Amjad Saeed Khan, Ioannis Chatzigeorgiou|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 26.

Cooperative Communication and Network Coding참고 문헌 21인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 공유 중계기를 사용하는 다중 그룹 협업 중계 네트워크에서, 그룹 간 다중화를 위한 비직교 다중접근(NOMA)과 그룹 내 협업을 위한 무작위 선형 네트워크 코딩(RLNC)을 조합한 새로운 NOMA-RLNC 협업 중계 방식을 제안한다. 공유 중계기를 통해 두 소스 그룹이 동시에 전송되며, 중계기와 수신기에서 인출 성능 향상(SIC)을 적용함으로써, 특히 고품질 서비스 요구사항과 증가하는 유한 필드 크기 조건에서 OMA 기반 대비 더 높은 디코딩 성공 확률과 시스템 스루풋을 달성한다.

ABSTRACT

This letter considers two groups of source nodes. Each group transmits packets to its own designated destination node over single-hop links and via a cluster of relay nodes shared by both groups. In an effort to boost reliability without sacrificing throughput, a scheme is proposed, whereby packets at the relay nodes are combined using two methods; packets delivered by different groups are mixed using non-orthogonal multiple access principles, while packets originating from the same group are mixed using random linear network coding. An analytical framework that characterizes the performance of the proposed scheme is developed, compared to simulation results and benchmarked against a counterpart scheme that is based on orthogonal multiple access.

연구 동기 및 목표

• 공유 중계기를 사용하는 다중 그룹 협업 중계 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 신뢰성 간의 상충 관계를 해결하기 위해.
• 그룹 간 다중화를 위해 NOMA를 통합하고, 그룹 내 협업을 위해 RLNC를 적용하여 시스템 스루풋과 다중성 이득을 향상시키기 위해.
• Rayleigh fading 채널 조건 하에서 디코딩 성공 확률과 시스템 스루풋에 대한 폐쇄형 해석적 프레임워크를 개발하기 위해.
• 성능 및 시스템 파라미터에 대한 민감도 측면에서 기존의 OMA-RLNC와 비교하여 제안된 NOMA-RLNC 방식의 성능과 안정성을 평가하기 위해.

제안 방법

• 이중 단계 프로토콜을 사용: 브로드캐스트 단계(소스 → 중계기/수신기)와 중계 단계(중계기 → 수신기)이며, 하프드уп렉스 중계기를 적용한다.
• NOMA에서의 중첩 전송을 적용: 그룹 G1과 G2의 쌍 소스 노드가 동일한 주파수 대역에서 동시에 전송하며, 고품질 서비스를 위한 그룹 G1을 우선시하기 위해 전력 할당 α1 > α2를 적용한다.
• 중계기에서 희소 RLNC를 적용: 코딩 계수는 유한 체 Fq에서 무작위로 선택되며, 링크 장애 확률에 따라 희소성 수준이 결정된다.
• 중계기는 네트워크 코딩 신호(m(1)_j 및 m(2)_j)의 중첩을 전송하여 두 수신기 모두에게 전달하며, 전력 할당 β1 > β2를 적용한다.
• 수신기는 SIC를 사용하여 중첩된 신호를 디코딩하고, 원본 소스 데이터를 복원하기 위해 K개의 선형 독립 코딩 패킷을 복구한다.
• 유한 체 Fq 상의 희소 랜덤 행렬 성질과 전체 확률의 법칙을 이용하여 디코딩 성공 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 공유 중계기와 다중 그룹 환경에서 NOMA와 RLNC를 조합함으로써 OMA-RLNC 대비 디코딩 성공 확률과 시스템 스루풋이 어떻게 향상되는가?
• RQ2 희소 RLNC에서 유한 필드 크기 q가 디코딩 성능과 시스템 스루풋에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 SNR, 목표 데이터율, 중계기 수와 같은 시스템 파라미터가 NOMA-RLNC의 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 제안된 방식이 기존의 OMA 기반 협업 대비 다중성 이득과 스펙트럼 효율성 향상 측면에서 어느 정도의 성능 향상을 달성하는가?

주요 결과

• 해석적 디코딩 성공 확률 표현식이 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치하여 유도된 프레임워크의 정확성을 검증한다.
• 특히 고우선순위 그룹 d1(R*1 = 1)에 대해 OMA-RLNC보다 더 높은 디코딩 성공 확률을 달성하며, 이는 더 높은 전력 할당과 스펙트럼 재사용 덕분이다.
• 유한 필드 크기 q 증가에 따라 공동 디코딩 성공 확률이 크게 향상되며, q = 2에서 q = 4로 증가할 경우 두드러진 성능 향상이 나타나지만, q > 4 이후에는 성능 향상 폭이 미미해진다.
• 일정한 SNR 조건에서, NOMA-RLNC는 성공적인 디코딩을 달성하기 위해 OMA-RLNC보다 더 적은 수의 중계기를 필요로 하며, 이는 다중성 이득을 의미한다.
• NOMA-RLNC는 OMA-RLNC보다 더 높은 시스템 스루풋을 제공하며, 목표 데이터율이 증가할수록 성능 격차가 더욱 벌어지며, 이는 OMA의 1/2 스펙트럼 손실 때문이다.
• 평균 필요 중계기 수(ET(N))는 NOMA-RLNC가 OMA-RLNC보다 현저히 낮으며, 특히 고SNR 조건에서 이는 더 높은 스펙트럼 효율성을 확인한다.