[논문 리뷰] On the Performance Gain of NOMA over OMA in Uplink Communication Systems

Zhiqiang Wei, Lei Yang외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 59인용 수 16

한 줄 요약

이 논문은 상향 링크 셀룰러 시스템에서 비직교 다중접근(NOMA)이 직교 다중접근(OMA)에 비해 제공하는 에르고딕 합산율 이득(ESG)을 분석적으로 정량화한다. NOMA는 대규모 근거리-원거리 이득과 소규모 fading 이득을 통해 뚜렷한 ESG를 달성하며, 매크로 MIMO 환경에서는 기지국 안테나 수와 사용자 수에 비례하여 성능이 선형적으로 증가한다. 그러나 다셀 환경에서는 이웃셀 간 간섭이 성능을 저하시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate and reveal the ergodic sum-rate gain (ESG) of non-orthogonal multiple access (NOMA) over orthogonal multiple access (OMA) in uplink cellular communication systems. A base station equipped with a single-antenna, with multiple antennas, and with massive antenna arrays is considered both in single-cell and multi-cell deployments. In particular, in single-antenna systems, we identify two types of gains brought about by NOMA: 1) a large-scale near-far gain arising from the distance discrepancy between the base station and users; 2) a small-scale fading gain originating from the multipath channel fading. Furthermore, we reveal that the large-scale near-far gain increases with the normalized cell size, while the small-scale fading gain is a constant, given by $γ$ = 0.57721 nat/s/Hz, in Rayleigh fading channels. When extending single-antenna NOMA to $M$-antenna NOMA, we prove that both the large-scale near-far gain and small-scale fading gain achieved by single-antenna NOMA can be increased by a factor of $M$ for a large number of users. Moreover, given a massive antenna array at the base station and considering a fixed ratio between the number of antennas, $M$, and the number of users, $K$, the ESG of NOMA over OMA increases linearly with both $M$ and $K$. We then further extend the analysis to a multi-cell scenario. Compared to the single-cell case, the ESG in multi-cell systems degrades as NOMA faces more severe inter-cell interference due to the non-orthogonal transmissions. Besides, we unveil that a large cell size is always beneficial to the ergodic sum-rate performance of NOMA in both single-cell and multi-cell systems. Numerical results verify the accuracy of the analytical results derived and confirm the insights revealed about the ESG of NOMA over OMA in different scenarios.

연구 동기 및 목표

• 다양한 배치 환경에서 상향 링크 셀룰러 네트워크에서 NOMA가 OMA에 비해 제공하는 에르고딕 합산율 이득(ESG)을 정량화하는 것.
• ESG의 두 가지 근본적인 원인인 대규모 근거리-원거리 이득(경로 손실로 인한 것)과 소규모 페이딩 이득(레일리 페이딩으로 인한 것)을 규명하고 분석하는 것.
• 특히 매크로 MIMO 환경에서 기지국 안테나 수(M)와 사용자 수(K)에 따라 ESG가 어떻게 스케일링되는지 조사하는 것.
• 단일셀 환경 대비 다셀 배포에서 이웃셀 간 간섭이 NOMA 성능에 미치는 영향을 평가하는 것.
• 실제 채널 및 시스템 조건 하에서 수치 결과를 통해 분석 결과의 타당성을 검증하는 것.

제안 방법

• 통계적 채널 모델을 사용하여 단안테나, 다안테나, 매크로 MIMO 상향 링크 시스템에서 NOMA 및 OMA의 에르고딕 합산율에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 사용자 경로 손실을 최소 및 최대 거리(D₀ 및 D)를 가진 디스크 기반 사용자 분포로 모델링하여 대규모 근거리-원거리 이득을 도출한다.
• 매크로 MIMO에서 채널 하드닝 성질을 적용하여 합산율을 비율 M/K의 결정론적 함수로 근사한다.
• 실제 NOMA 시스템의 검출을 모델링하기 위해 기지국에서 순차적 간섭 제거(SIC)와 최대 비율 복합(MRC)을 적용한다.
• 큰 K 및 M에 대한 적분 근사와 점근적 분석을 활용하여 고사용자 및 고안테나 환경에서 ESG에 대한 해석 가능한 표현식을 도출한다.
• 에르고딕 합산율을 핵심 성능 지표로 사용하여 동일한 전력 및 스펙트럼 자원 할당 조건 하에서 NOMA와 OMA의 성능을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 상향 링크 시스템에서 NOMA가 OMA에 비해 제공하는 에르고딕 합산율 이득(ESG)의 근본적인 원인들은 무엇인가?
• RQ2 매크로 MIMO 환경에서 기지국 안테나 수(M)와 사용자 수(K)에 따라 NOMA의 ESG는 어떻게 스케일링되는가?
• RQ3 다셀 환경에서 이웃셀 간 간섭은 단일셀 환경에 비해 NOMA의 ESG에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대규모 경로 손실(근거리-원거리 효과)과 소규모 레일리 페이딩은 NOMA의 성능 이득에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 수와 안테나 수가 매우 많아질 경우 NOMA의 ESG는 점근적으로 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 레일리 페이딩 채널에서의 소규모 페이딩 이득은 시스템 파rameter와 무관하게 일정한 0.57721 nat/s/Hz이다.
• 대규모 근거리-원거리 이득은 정규화된 세포 크기(D/D₀)에 비례하여 선형적으로 증가하므로, 더 큰 세포는 NOMA에 유리하다.
• M안테나 NOMA 시스템에서, 대규모 및 소규모 이득은 많은 사용자 수가 있을 경우 M에 대해 선형적으로 증가한다.
• 고정된 M/K 비율을 가진 매크로 MIMO 시스템에서는 NOMA의 ESG가 M과 K 양쪽 모두에 대해 선형적으로 증가한다.
• 다셀 환경에서는 이웃셀 간 간섭이 NOMA의 ESG를 저하시켜 단일셀 환경보다 성능이 열등해진다.
• K → ∞ 및 M → ∞가 될 경우, 채널 하드닝로 인해 NOMA의 개별 사용자 비율은 결정론적이 되며, 이로 인해 점근적 합산율 분석이 정확해진다.