[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access For Near-Field Communications

Jiakuo Zuo, Xidong Mu외 1명|arXiv (Cornell University)|2023. 04. 25.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 하이브리드 비음향형을 통해 각도 및 거리 도메인에서의 빔집중을 이용한 근거리 통신(NF-NOMA)을 위한 비직교 다중접속(NOMA)을 제안한다. 두 가지 프레임워크—단일 위치 빔집중 및 다중 위치 빔집중—을 도입하여, 특히 더 멀리 떨어져 있는 고품질서비스(QoS) 사용자에게도 기존의 원거리 NOMA보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성하며, ZF 디지털 빔포밍과 최적화된 전력 할당을 통해 간섭을 효과적으로 억제한다.

ABSTRACT

The novel concept of near-field non-orthogonal multiple access (NF-NOMA) communications is proposed. The near-filed beamfocusing enables NOMA to be carried out in both angular and distance domains. Two novel frameworks are proposed, namely, single-location-beamfocusing NF-NOMA (SLB-NF-NOMA) and multiple-location-beamfocusing NF-NOMA (MLB-NF-NOMA). 1) For SLB-NF-NOMA, two NOMA users in the same angular direction with distinct quality of service (QoS) requirements can be grouped into one cluster. The hybrid beamformer design and power allocation problem is formulated to maximize the sum rate of the users with higher QoS (H-QoS) requirements. To solve this problem, the analog beamformer is first designed to focus the energy on the H-QoS users and the zero-forcing (ZF) digital beamformer is employed. Then, the optimal power allocation is obtained. 2) For MLB-NF-NOMA, the two NOMA users in the same cluster can have different angular directions. The analog beamformer is first designed to focus the energy on both two NOMA users. Then, a singular value decomposition (SVD) based ZF (SVD-ZF) digital beamformer is designed. Furthermore, a novel antenna allocation algorithm is proposed. Finally, a suboptimal power allocation algorithm is proposed. Numerical results demonstrate that the NF-NOMA can achieve a higher spectral efficiency and provide a higher flexibility than conventional far-field NOMA.

연구 동기 및 목표

• 유일한 구형 파면을 가진 근거리 통신(NFC)에서 NOMA 연구의 부족을 보완하여 새로운 자유도를 제공한다.
• 평면 파면에 의존하는 원거리 NOMA의 한계를 극복하여 거리 도메인 다중화를 활용할 수 있도록 한다.
• 근거리 빔집중을 활용한 하이브리드 비음향형 프레임워크를 설계하여 다중 사용자 NOMA의 스펙트럼 효율성 향상과 간섭 관리 개선을 도모한다.
• 하이브리드 아날로그/디지털 빔포밍과 전력 할당을 통합하여 고품질서비스(H-QoS) 사용자의 합률을 최대화하면서도 모든 사용자의 QoS 제약 조건을 충족시킨다.
• NF-NOMA가 원거리 NOMA와 근거리 정규 다중접속(NF-OMA)보다 스펙트럼 효율성과 간섭 억제 측면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 동일한 각도 방향에 있지만 다른 거리에 있는 두 사용자를 하나의 아날로그 빔포머가 단일 위치에 집중하여 서비스하는 단일 위치 빔집중 근거리 NOMA(SLB-NF-NOMA)를 제안한다.
• 고품질서비스 사용자에 에너지를 집중시키기 위해 아날로그 빔포머를 설계하고, 집단 간 간섭을 억제하기 위해 제로포싱(ZF) 디지털 빔포밍을 적용한다.
• 사용자 데이터율 제약 조건 하에 H-QoS 사용자의 합률 최대화 문제를 설정하고, 빔포머 설계 이후 최적의 전력 할당을 통해 해결한다.
• 한 개의 아날로그 빔포머가 두 개의 별개의 위치에 집중하여 서로 다른 각도 방향의 사용자를 서비스하는 다중 위치 빔집중 근거리 NOMA(MLB-NF-NOMA)를 설계한다.
• 빔스플리팅을 이용해 다중 초점 아날로그 빔포머를 설계하고, SVD 기반 제로포싱(SVD-ZF) 디지털 빔포밍을 적용하여 집단 간 간섭을 억제한다.
• 사용자를 빔포밍 클러스터에 할당하기 위한 다대일 매칭 기반 안테나 할당 알고리즘을 개발하고, 부분 최적 전력 할당을 위한 반복 분수 프로그래밍 알고리즘을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 근거리 빔집중은 각도 및 거리 도메인에서의 NOMA 전송을 가능하게 하여 기존의 원거리 NOMA보다 우월한 성능을 제공할 수 있는가?
• RQ2 NF-NOMA에서 하이브리드 빔포밍을 어떻게 설계하여 서로 다른 각도 및 거리 위치에 있는 다중 사용자 클러스터링을 지원할 수 있는가?
• RQ3 스펙트럼 효율성과 간섭 억제 측면에서 NF-NOMA는 원거리 NOMA보다 얼마나 향상되는가?
• RQ4 거리 도메인에서의 빔집중은 특히 기지국으로부터 더 멀리 떨어져 있는 H-QoS 사용자에게 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ5 ZF 디지털 빔포밍과 빔스플리팅 기법을 사용하여 NF-NOMA에서 간섭을 효과적으로 억제할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 SLB-NF-NOMA 및 MLB-NF-NOMA 기법은 고품질서비스 사용자가 더 멀리 떨어져 있을 경우에도 기존의 원거리 NOMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 거리 도메인에서의 빔집중은 효과적인 사용자 클러스터링과 간섭 억제를 가능하게 하며, 특히 ZF 디지털 빔포밍과 최적화된 전력 할당을 통해 뚜렷한 효과를 발휘한다.
• 빔스플리팅으로 인한 빔폭 증가에도 불구하고 MLB-NF-NOMA 기법은 향상된 빔집중과 간섭 억제 덕분에 MB-FF-NOMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 확보한다.
• 수치 결과는 NF-빔집중이 내부 클러스터 및 외부 클러스터 간 간섭을 효과적으로 억제하며 원거리 빔스티어링을 능가함을 확인한다.
• 합률이 하이브리드 아날로그 빔포머 설계와 최적의 전력 할당을 통해 최대화되며, SVD-ZF 디지털 빔포머가 집단 간 간섭을 효과적으로 억제한다.
• 반복 분수 프로그래밍 알고리즘이 부분 최적 전력 할당 해답으로 수렴하며, NF-NOMA 시스템의 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킨다.