[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access for 5G and Beyond

Yuanwei Liu, Zhijin Qin외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 200인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 5세대 및 그 이상의 통신 시스템을 위한 전력 도메인 비직교 다중접속(NOMA)에 대한 종합적인 서베이를 제공하며, 동일한 리소스 블록 내에서 전력 도메인에 다중 사용자를 멀티플렉싱함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있음을 강조한다. 슈퍼포지션 코딩, 연속 간섭 제거(SIC), MIMO 및 협업 통신과의 통합 등 핵심 기술을 검토하고, 표준화, 간섭 관리, 통합 프레임워크 설계 분야에서의 열린 과제와 향후 연구 방향을 규명한다.

ABSTRACT

Driven by the rapid escalation of the wireless capacity requirements imposed by advanced multimedia applications (e.g., ultra-high-definition video, virtual reality etc.), as well as the dramatically increasing demand for user access required for the Internet of Things (IoT), the fifth generation (5G) networks face challenges in terms of supporting large-scale heterogeneous data traffic. Non-orthogonal multiple access (NOMA), which has been recently proposed for the 3rd generation partnership projects long-term evolution advanced (3GPP-LTE-A), constitutes a promising technology of addressing the above-mentioned challenges in 5G networks by accommodating several users within the same orthogonal resource block. By doing so, significant bandwidth efficiency enhancement can be attained over conventional orthogonal multiple access (OMA) techniques. This motivated numerous researchers to dedicate substantial research contributions to this field. In this context, we provide a comprehensive overview of the state-of-the-art in power-domain multiplexing aided NOMA, with a focus on the theoretical NOMA principles, multiple antenna aided NOMA design, on the interplay between NOMA and cooperative transmission, on the resource control of NOMA, on the co-existence of NOMA with other emerging potential 5G techniques and on the comparison with other NOMA variants. We highlight the main advantages of power-domain multiplexing NOMA compared to other existing NOMA techniques. We summarize the challenges of existing research contributions of NOMA and provide potential solutions. Finally, we offer some design guidelines for NOMA systems and identify promising research opportunities for the future.

연구 동기 및 목표

• 5세대 및 향후 네트워크를 위한 전력 도메인 NOMA의 최신 기술 동향을 종합적으로 개괄하는 것.
• NOMA를 다중 안테나 시스템 및 협업 통신 기법과 통합하는 분석.
• 자원 할당, 간섭 관리, 기타 5세대 기술과의 공존에 대한 조사.
• NOMA 구현에서의 열린 과제와 표준화 격차 규명.
• 통합 NOMA 프레임워크를 위한 설계 지침 제안 및 향후 연구 기회 강조.

제안 방법

• 슈퍼포지션 코딩과 연속 간섭 제거(SIC)를 활용한 전력 도메인 NOMA의 이론적 기초 서베이.
• 빔포밍과 공간 멀티플렉싱를 활용한 MIMO-NOMA 시스템 분석을 통한 스펙트럼 효율성 향상.
• 강화 및 전달(AF) 및 디코딩 및 전달(DF) 릴레이 프로토콜을 활용한 협업 NOMA 평가.
• 마이크로셀, 허브셀, 디바이스 투 디바이스(D2D), 신호 처리 기술(CR) 등 신규 5세대 기술과의 NOMA 통합.
• 종합적 네트워크 최적화 및 동적 자원 제어를 위한 소프트웨어 정의 NOMA(SD-NOMA) 제안.
• SCMA, PDMA, MUST 등 대안적 NOMA 체계 서베이 및 주요 특성 비교.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5세대 네트워크에서 전력 도메인 NOMA는 기존의 OMA 대비 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 MIMO 및 협업 릴레이와의 통합에서 성능 향상과 설계 과제는 무엇인가?
• RQ3 마이크로셀, 허브셀, 디바이스 투 디바이스(D2D) 통신과 같은 기타 5세대 기술과 NOMA를 효과적으로 공존시킬 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 NOMA 표준화, 간섭 관리, 구현 분야에서의 주요 열린 문제점은 무엇인가?
• RQ5 다양한 NOMA 변종을 지원하고 이질적 환경에서 확장 가능한 구현을 가능하게 하는 통합 프레임워크는 무엇인가?

주요 결과

• 슈퍼포지션 코딩과 SIC를 활용한 전력 도메인 NOMA는 사용자 멀티플렉싱를 통해 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성한다.
• 빔포밍과 공간 멀티플렉싱를 적용한 MIMO-NOMA는 스펙트럼 효율성을 향상시키고 더 높은 사용자 멀티플렉싱 이득을 지원한다.
• AF 및 DF 릴레이 프로토콜을 활용한 협업 NOMA는 다양성 이득을 제공하며 커버리지와 신뢰성을 향상시킨다.
• 자원 할당 및 전력 할당(PA)은 이질적 사용자 환경에서 서비스 품질(QoS)과 공정성의 균형을 이루는 데 핵심적이다.
• SCMA 및 PDMA는 업링크에서 저복잡도, 할당 없이 액세스할 수 있지만, 고도의 코드북 설계와 동시 검출이 필요하다.
• NOMA의 표준화는 진행 중이지만, 오류 전파, 채널 추정 및 보안과 같은 분야에서 아직 구현 격차가 존재한다.