[논문 리뷰] Novel Time Asynchronous NOMA schemes for Downlink Transmissions

Mehdi Ganji, Hamid Jafarkhani|arXiv (Cornell University)|2018. 08. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 37인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 다운링크 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 의도적인 시간 이분기(시간 비동기)를 활용하는 두 가지 새로운 비직교 다중접근(NOMA) 방식—비동기-전력 도메인 NOMA(AP-NOMA)와 시간 도메인 NOMA(T-NOMA)—을 제안한다. 제어된 심볼 오프셋과 예비처리를 통해 T-NOMA는 기존의 P-NOMA 및 AP-NOMA보다 더 넓은 구현 가능한 비율 영역을 달성하며, 특히 사용자 간 채널 조건이 비대칭일 경우 더 뛰어난 합산 비율과 공정성을 확보한다.

ABSTRACT

In this work, we investigate the effect of time asynchrony in non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes for downlink transmissions. First, we analyze the benefit of adding intentional timing offsets to the conventional power domain-NOMA (P-NOMA). This method which is called Asynchronous-Power Domain-NOMA (AP-NOMA) introduces artificial symbol-offsets between packets destined for different users. It reduces the mutual interference which results in enlarging the achievable rate-region of the conventional P-NOMA. Then, we propose a precoding scheme which fully exploits the degrees of freedom provided by the time asynchrony. We call this multiple access scheme T-NOMA which provides higher degrees of freedom for users compared to the conventional P-NOMA or even the modified AP-NOMA. T-NOMA adopts a precoding at the base station and a linear preprocessing scheme at the receiving user which decomposes the broadcast channel into parallel channels circumventing the need for Successive Interference Cancellation (SIC). The numerical results show that T-NOMA outperforms AP-NOMA and both outperform the conventional P-NOMA. We also compare the maximum sum-rate and fairness provided by these methods. Moreover, the impact of pulse shape and symbol offset on the performance of AP-NOMA and T-NOMA schemes are investigated.

연구 동기 및 목표

• 다운링크 전송에서 전통적인 정규 다중접근(OMA)의 비효율성과 공정성 한계를 해결하기 위해.
• 기존에 손상 요소로 간주되던 시간 비동기의 잠재적 이점을 탐구하기 위해.
• 시기 오프셋을 자원으로 활용하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시키는 새로운 NOMA 체계를 설계하기 위해.
• 성능 향상을 위해 다중접근 채널을 병렬 스트림으로 분해하는 예비처리 및 전처리 전략을 개발하여 순차적 인터패리어 제거(SIC)의 필요성을 제거하기 위해.
• 다양한 채널 조건과 펄스 형상 하에서 P-NOMA, AP-NOMA, T-NOMA의 합산 비율 및 공정성 성능을 비교하기 위해.

제안 방법

• 사용자 패킷 간 의도적인 시간 오프셋을 도입하여 상호 간섭을 감소시키는 AP-NOMA를 제안한다.
• 기지국에서의 예비처리 기반 방식과 사용자에서의 선형 전처리를 통합하여 브로드캐스트 채널을 병렬 링크로 분해하는 T-NOMA를 도입한다.
• 전송기에서 예비처리 행렬과 각 사용자에서 수신 필터를 활용하여 SIC가 필요 없이 간섭 없는 병렬 전송을 실현한다.
• 정보이론적 분석을 통해 각 체계의 구현 가능한 합산 비율을 유도하며, 최적의 전력 할당에 대한 닫힌 형태의 표현식을 도출한다.
• 펄스 형상과 심볼 오프셋이 성능에 미치는 영향을 분석하여 최적의 형상 설계가 스펙트럼 효율성을 추가로 향상시킬 수 있음을 보여준다.
• 수학적 최적화를 활용하여 각 체계의 최적 전력 할당을 유도하고, 이를 통해 유도된 합산 비율을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 의도적인 시간 비동기는 다운링크 NOMA 시스템의 구현 가능한 비율 영역을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 AP-NOMA에서 인위적인 심볼 오프셋을 도입함으로써 기존 P-NOMA에 비해 사용자 간 간섭은 어떻게 감소하는가?
• RQ3 다양한 채널 조건 하에서 T-NOMA는 P-NOMA 및 AP-NOMA에 비해 최대 몇 퍼센트의 합산 비율 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ4 시간 오프셋 존재 하에서 펄스 형상의 선택은 AP-NOMA 및 T-NOMA의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 T-NOMA는 어떤 조건에서 P-NOMA 및 AP-NOMA보다 엄격히 더 높은 합산 비율을 달성하는가?

주요 결과

• T-NOMA는 사용자 간 채널 품질이 비대칭일 경우 특히, P-NOMA 및 AP-NOMA보다 엄격히 더 넓은 구현 가능한 비율 영역을 확보한다.
• 노이즈 전력이 동일한 채널(σ₁ = σ₂)에서는 P-NOMA가 더 강한 사용자에게만 전력을 할당하는 반면, AP-NOMA는 두 사용자 모두에게 비영일 전력을 할당하므로 더 높은 합산 비율을 달성한다.
• 채널 신호 대 잡음비 차이가 (1−g)P를 초과할 경우, AP-NOMA는 두 사용자 모두에게 비영 전력을 할당하며 P-NOMA보다 더 높은 합산 비율을 확보한다.
• T-NOMA의 최적 전력 할당은 P₁* = (P + σ₂ − σ₁)/2로 주어지며, 채널이 비대칭일 경우 균형 잡힌 전력 사용을 가능하게 한다.
• T-NOMA는 예비처리를 통해 병렬 채널 분해를 실현하여 SIC가 필요 없고 간섭을 감소시키므로, 모든 체계 중에서 가장 높은 합산 비율을 달성한다.
• T-NOMA의 합산 비율은 항상 AP-NOMA 이상이며, 두 사용자 모두 비영 전력을 할당받는 조건에서는 엄격한 부등식이 성립한다.