[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA): How It Meets 5G and Beyond

S. M. Riazul Islam, Ming Zeng외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 07. 23.

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering참고 문헌 79인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 5세대 및 그 이상의 네트워크를 위한 핵심 무선 접근 기술로써 비직교 다중접근(NOMA)에 대한 종합적인 개요를 제시하며, 기존의 직교 다중접근(OMA)에 비해 스펙트럼 효율성이 뛰어나다는 점을 강조한다. 단일 및 다중 안테나 시스템에서의 전력 도메인 및 코드 도메인 NOMA, 사용자 쌍화 및 전력 할당과 같은 자원 할당 전략, 협업형 NOMA 변종, 밀리미터 웨이브(mmWave) 및 이질적 네트워크와의 통합 과제를 상세히 기술한다.

ABSTRACT

Due to massive connectivity and increasing demands of various services and data-hungry applications, a full-scale implementation of the fifth generation (5G) wireless systems requires more effective radio access techniques. In this regard, non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently gained ever-growing attention from both academia and industry. Compared to orthogonal multiple access (OMA) techniques, NOMA is superior in terms of spectral efficiency and is thus appropriate for 5G and Beyond. In this article, we provide an overview of NOMA principles and applications. Specifically, the article discusses the fundamentals of power-domain NOMA with single and multiple antennas in both uplink and downlink settings. In addition, the basic principles of code-domain NOMA are elaborated. Further, the article explains various resource allocation techniques such as user pairing and power allocation for NOMA systems; discusses the basic form of cooperative NOMA and its variants; and addresses several opportunities and challenges associated with the compatibility of NOMA with other advanced communication paradigms such as heterogeneous networks and millimeter wave communications.

연구 동기 및 목표

• 5세대 및 향후 무선 네트워크에서 증가하는 스펙트럼 효율성과 대량 연결 수요를 충족시키기 위해.
• 대량 장치 연결 및 고속 데이터 전송을 지원하는 데에 한계가 있는 직교 다중접근(OMA)의 한계를 극복하기 위해.
• 전력 도메인 및 코드 도메인 구현을 포함한 NOMA 원리의 통합 기술적 개요를 제공하기 위해.
• 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 극대화하기 위해 사용자 쌍화 및 전력 할당과 같은 자원 할당 기법을 최적화하기 위해.
• 밀리미터 웨이브 통신 및 이질적 네트워크와 같은 새로운 패러다임과의 NOMA 통합을 검토하기 위해.

제안 방법

• 단일 및 다중 안테나를 사용한 상향 및 하향 링크 시나리오에서 전력 도메인 NOMA를 분석한다.
• 희소 코드 다중접근(SCMA) 및 저밀도 서명(LDS) 기법에 기반한 코드 도메인 NOMA를 설명한다.
• NOMA 시스템에서의 합산 속도와 공정성을 극대화하기 위해 사용자 쌍화 전략을 제안한다.
• NOMA 네트워크에서 전송률과 사용자 공정성을 균형 잡기 위해 전력 할당 알고리즘을 도입한다.
• 해결-전달 및 강화-전달 릴레이 프로토콜을 포함한 협업형 NOMA 스킴을 검토한다.
• mmWave 및 이질적 네트워크와의 통합에서 발생하는 시스템 수준의 과제, 특히 빔포밍 및 간섭 관리 기법을 논의한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 5세대 및 그 이상의 시스템에서 기존의 OMA에 비해 NOMA는 스펙트럼 효율성을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 NOMA 시스템 성능을 극대화하기 위해 최적의 사용자 쌍화 및 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 SCMA와 같은 코드 도메인 NOMA 기법은 다중 안테나 및 다중 사용자 환경에서 어떻게 효과적으로 구현될 수 있는가?
• RQ4 NOMA를 밀리미터 웨이브 및 이질적 네트워크와 통합할 때의 주요 과제와 해결책은 무엇인가?
• RQ5 협업형 NOMA는 고속 이동성 또는 낮은 신호 대 잡음비(SNR) 환경에서 커버리지와 신뢰성을 어떻게 향상시키는가?

주요 결과

• NOMA는 전력 도메인 다중접속을 통해 동일한 시간-주파수 자원 블록을 다수의 사용자가 공유하게 하여 OMA보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 채널 이득의 차이를 기반으로 한 사용자 쌍화 전략은 NOMA 시스템에서 합산 속도와 공정성을 크게 향상시킨다.
• 특히 다중 안테나 및 다중 사용자 환경에서 전력 할당을 최적화함으로써 전송률과 사용자 공정성을 균형 잡을 수 있다.
• 코드 도메인 NOMA, 특히 SCMA는 전력 도메인 NOMA보다 자원 블록당 더 많은 사용자를 지원함으로써 대량 연결을 가능하게 한다.
• 협업형 NOMA는 릴레이 기법을 통해 셀 엣지 및 고속 이동성 환경에서 커버리지와 신뢰성을 향상시킨다.
• NOMA를 mmWave 및 이질적 네트워크와 통합하는 것은 가능하지만, 고급 빔포밍 및 간섭 조율 기법이 필요하다.