[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access in Multi-Cell Networks: Theory, Performance, and Practical Challenges

Wonjae Shin, Mojtaba Vaezi외 4명|arXiv (Cornell University)|2016. 11. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 다셀 네트워크에서 비직교 다중접근(NOMA)를 조사하며, 이웃 셀 간 간섭을 완화하기 위해 공동 전송(NOMA-JT)과 협력 beamforming(NOMA-CB) 기법을 제안한다. NOMA-CB와 NOMA-JT는 OMA, NOMA-TDM, OMA-FFR보다 뛰어난 성능을 보이며, 스펙트럼 효율을 최대 2배까지 높이고, 특히 셀 에지 사용자에게 더 뛰어난 사용자 공정성을 제공한다. 이는 다중 기지국 beamforming과 간섭 제거 기법을 통해 달성된다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is a potential enabler for the development of 5G and beyond wireless networks. By allowing multiple users to share the same time and frequency, NOMA can scale up the number of served users, increase the spectral efficiency, and improve user-fairness compared to existing orthogonal multiple access (OMA) techniques. While single-cell NOMA has drawn significant attention recently, much less attention has been given to multi-cell NOMA. This article discusses the opportunities and challenges of NOMA in a multi-cell environment. As the density of base stations and devices increases, inter-cell interference becomes a major obstacle in multi-cell networks. As such, identifying techniques that combine interference management approaches with NOMA is of great significance. After discussing the theory behind NOMA, this paper provides an overview of the current literature and discusses key implementation and research challenges, with an emphasis on multi-cell NOMA.

연구 동기 및 목표

• 다셀 다운링크 및 업링크 채널에서 NOMA의 이론적 기초를 분석하며, 특히 브로드캐스트 채널과 다중접근 채널의 맥락에서 다룬다.
• 다셀 NOMA 시스템에서의 주요 과제인 이웃 셀 간섭(IC)을 규명하고, 이로 인해 저하되는 스펙트럼 효율성과 공정성 문제를 해결한다.
• 밀도 높은 셀룰러 네트워크에서 실용적인 NOMA 구현 방식을 평가하며, 협력 beamforming 및 공동 전송과 같은 간섭 관리 기법에 초점을 맞춘다.
• 실제 시스템 수준 조건 하에서 OMA 및 하이브리드 기법(Omega-FFR, NOMA-TDM 등)과의 성능을 비교한다.
• 다셀 NOMA에서의 간섭 관리에 관한 기존 문헌을 종합적으로 조사하고, 열린 연구 과제를 도출한다.

제안 방법

• NOMA-CB(Coordinated Beamforming)와 NOMA-JT(Joint Transmission)를 제안하며, 두 기지국이 간섭을 억제하기 위해 공동으로 beamforming 벡터를 최적화한다.
• 다운링크 전송에서 기지국에서는 슈퍼포지션 코드를 사용하고, 사용자 단말에서는 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하는 전력 도메인 NOMA를 활용한다.
• Rayleigh fading을 갖는 이중 셀 다운링크 네트워크 모델을 사용하며, 경로 손실 지수는 4이고, 기지국과 사용자 각각에 4개의 송신/수신 안테나를 사용한다.
• 채널 이득 기반의 사용자 쌍화를 적용하며, 셀 중심 사용자는 반경 0.125 km 내에, 셀 에지 사용자는 외곽 고리(0.125–0.25 km)에 위치한다.
• 사용자 위치에 따른 누적 분포 함수(CDF)를 사용하여 사용자 Throughput 및 스펙트럼 효율을 평가한다.
• 다양한 기법을 비교한다: OMA(ICI를 노이즈로 간주), OMA-FFR(주파수 재사용), NOMA(단일 셀 운영), NOMA-TDM(직교 자원 공유), NOMA-CB, NOMA-JT.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 밀도 높은 다셀 네트워크에서 이웃 셀 간섭은 단일 셀 NOMA의 성능을 어떻게 제한하는가?
• RQ2 기존 OMA 및 하이브리드 기법과 비교해 다셀 다운링크 네트워크에서 NOMA가 달성할 수 있는 스펙트럼 효율성 및 사용자 공정성 향상은 어느 정도인가?
• RQ3 협력 beamforming(NOMA-CB)과 공동 전송(NOMA-JT)이 이웃 셀 간섭을 얼마나 효과적으로 완화하고 셀 에지 사용자 성능을 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 왜 NOMA-CB는 OMA-FFR 및 NOMA-TDM보다 스펙트럼 효율성과 공정성 면에서 뛰어나며, 특히 셀 에지 사용자에게서 그러한 성능 향상이 두드러지는가?
• RQ5 다셀 환경에서 NOMA를 적용할 때 발생하는 실용적 구현 과제는 무엇이며, 특히 사용자 쌍화 및 간섭 관리 측면에서 어떤 과제가 존재하는가?

주요 결과

• NOMA-CB는 자원 블록을 전면적으로 활용하고, 협력 beamforming을 통해 이웃 셀 간섭을 효과적으로 제거함으로써 NOMA-TDM 대비 최대 2배의 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• NOMA-JT는 NOMA-CB와 거의 동일한 성능를 보이며, 셀 에지 사용자가 셀 경계에 가까워질수록 이웃 기지국의 신호 강도 향상으로 인해 신호-간섭-plus노이즈비(SINR)가 향상되어 성능 향상이 증가한다.
• 저밀도 셀 에지 사용자 거리(기지국 근처)에서는 OMA-FFR과 OMA가 NOMA-CB를 초월한다. 이는 NOMA에서 잔류하는 이웃 사용자 간섭 때문이며, 효과적인 사용자 쌍화가 필요함을 시사한다.
• NOMA-CB와 NOMA-JT는 모든 CDF 지점(예: 5번째 백분위수 및 평균)에서 최고의 사용자 Throughput 성능을 달성하여 뛰어난 공정성과 스펙트럼 효율성을 입증한다.
• 단일 셀 NOMA와 OMA는 이웃 셀 간섭을 관리하지 못해 셀 에지 사용자에서 스펙트럼 효율성이 심각하게 저하된다. 이는 유일하게 협력 기반 기법에서만 완화된다.
• NOMA와 OMA 기반 기법 간의 성능 격차는 셀 에지 사용자에서 가장 두드러지며, 이는 저지연 및 고신뢰성 5G 요구사항을 충족하기 위해 간섭 관리가 핵심임을 보여준다.