[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in Cellular Uplink and Downlink: Challenges and Enabling Techniques

Hina Tabassum, Shipon Ali외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 08. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 82

한 줄 요약

이 논문은 5G 이동통신 상行 및 하행 링크에서 비직교 다중접근(NOMA)의 사용자 쌍화 및 전력 할당 최적화를 위한 이론적 프레임워크를 제안한다. 이중 사용자 클러스터에서 상행 및 하행 링크에 대해 각각 다른 NOMA 주도 조건을 유도함으로써, 정규 다중접근(OMA) 대비 스펙트럼 효율성 향상을 가능하게 하며, 수치 결과는 무작위 사용자 선택 대비 뚜렷한 성능 향상을 보여준다.

ABSTRACT

By combining the concepts of superposition coding at the transmitter(s) and successive interference cancellation (SIC) at the receiver(s), non-orthogonal multiple access (NOMA) has recently emerged as a promising multiple access technique for 5G wireless technology. In this article, we first discuss the fundamentals of uplink and downlink NOMA transmissions and outline their key distinctions (in terms of implementation complexity, detection and decoding at the SIC receiver(s), incurred intra-cell and inter-cell interferences). Later, for both downlink and uplink NOMA, we theoretically derive the NOMA dominant condition for each individual user in a two-user NOMA cluster. NOMA dominant condition refers to the condition under which the spectral efficiency gains of NOMA are guaranteed compared to conventional orthogonal multiple access (OMA). The derived conditions provide direct insights on selecting appropriate users in two-user NOMA clusters. The conditions are distinct for uplink and downlink as well as for each individual user. Numerical results show the significance of the derived conditions for the user selection in uplink/downlink NOMA clusters and provide a comparison to the random user selection. A brief overview of the recent research investigations is then provided to highlight the existing research gaps. Finally, we discuss the potential applications and key challenges of NOMA transmissions.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 사용자 용량 측면에서 정규 다중접근(OMA)의 한계를 해결하기 위해 NOMA를 우수한 대안으로 제안하는 것.
• 상행 및 하행 전송에서 스펙트럼 효율성 측면에서 NOMA가 OMA를 능가하는 조건을 식별하고 체계화하는 것.
• 사용자별 NOMA 주도 조건을 유도함으로써 NOMA 클러스터에서의 사용자 쌍화 및 전력 할당에 대한 이론적 기반을 마련하는 것.
• 다중 셀 NOMA 구현의 주요 과제인 이웃셀 간 간섭, SIC 오류 전파, 사용자 클러스터링을 부각하는 것.
• NOMA 시스템에서 다중 사용자 그룹화, 전력 제어, 간섭 완화 전략의 격차를 규명함으로써 향후 연구를 이끌어내는 것.

제안 방법

• 상행 및 하행 링크 시나리오에서 신호 대 간섭 + 잡음비(SINR) 분석을 활용하여 이중 사용자 NOMA 클러스터 내 각 사용자에 대한 NOMA 주도 조건을 유도한다.
• 전송기에서 초합성 코드를 적용하고 수신기에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 수행하여 동일 자원에서 다수 사용자의 동시 전송을 가능하게 한다.
• 전체 전송 전력 제약 조건 하에서 채널 이득과 전력 할당의 영향을 고려하여 NOMA 클러스터 내 부재 간섭을 모델링한다.
• 이론적 분석을 통해 NOMA의 스펙트럼 효율성을 OMA와 비교하고, NOMA가 열등한 성능를 보일 수 있는 명시적 수학적 조건을 도출한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 유도된 조건의 성능을 평가하며, 최적화된 사용자 쌍화와 무작위 사용자 선택 간 비교를 수행한다.
• 이웃셀 간 간섭을 완화하고 신뢰성을 향상시키기 위해 공동 다중점(CoMP), D2D 협업, 하이브리드 NOMA-OMA 운영과 같은 향후 시스템 수준의 개선 방안을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 이중 사용자 NOMA 클러스터에서 상행 및 하행 전송 모두에서 NOMA가 OMA보다 더 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는 조건은 무엇인가?
• RQ2 사용자별 전력 할당 및 채널 이득 요구사항 측면에서 상행 및 하행 NOMA의 NOMA 주도 조건은 어떻게 다를까?
• RQ3 유도된 NOMA 주도 조건에 기반한 사용자 쌍화가 무작위 사용자 쌍화 대비 스펙트럼 효율성과 시스템 스루풋에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ4 내부셀 및 이웃셀 간 간섭은 NOMA 성능에 어떤 영향을 미치며, 다중 셀 배포 환경에서 그 영향을 완화하기 위한 전략은 무엇인가?
• RQ5 SIC 오류 전파, 사용자 클러스터링, 전력 할당을 포함한 대규모 NOMA 구현의 주요 과제는 무엇이며, 이를 어떻게 해결할 수 있는가?

주요 결과

• 이중 사용자 클러스터에서 상행 및 하행 링크에 대해 NOMA 주도 조건이 유도되었으며, 사용자의 채널 이득과 전력 할당이 특정 부등식을 만족할 경우 NOMA가 OMA를 능가함을 보여준다.
• 유도된 조건은 상행 및 하행 링크에서 다르며, 쌍을 이루는 두 사용자 간에도 상이하여 비대칭적 사용자 쌍화의 필요성을 강조한다.
• 수치 결과는 유도된 NOMA 주도 조건에 기반한 사용자 선택이 무작위 사용자 쌍화 대비 스펙트럼 효율성을 뚜렷이 향상시킴을 보여준다.
• 최적화된 사용자 쌍화에서의 성능 향상은 전력 할당 전략이 채널 조건이 열악한 사용자에게 유리하게 작용하는 하강 링크 NOMA에서 더욱 두드러진다.
• 이웃셀 간 간섭은 다중 셀 NOMA에서 중요한 과제로 남아 있으며, 특히 셀 엣지 사용자에게서 심각한 영향을 미치므로 고도의 간섭 조율 및 기지국 간 협업이 필요하다.
• 향후 연구는 동적 클러스터링, 하이브리드 NOMA-OMA 운영, 계층 간 설계에 초점을 맞춰 밀도 높은 네트워크에서의 신뢰성과 확장성을 향상시켜야 한다.