[논문 리뷰] On the Performance of NOMA-based Cooperative Relaying with Receive Diversity

Vaibhav Kumar, Barry Cardiff외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 02. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 5인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 수신 다중화를 사용하는 선택 복합(Selection Combining, SC) 및 최대비율 복합(Maximal-Ratio Combining, MRC)을 적용한 비직교 다중접근(Multiple Access, NOMA) 기반 협업 릴레이 시스템을 제안한다. 시스템은 합산 속도, 극복 확률 및 다중화 순서에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 고신호대역비(SNR)에서 전체 다중화 성능을 달성하고 기존의 오р토곤럴 다중접근(Orthogonal Multiple Access, OMA)보다 스펙트럼 효율성이 뛰어나다는 것을 증명한다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is widely recognized as a potential multiple access (MA) technology for efficient spectrum utilization in the fifth-generation (5G) wireless standard. In this paper, we present the achievable sum rate analysis of a cooperative relaying system (CRS) using NOMA with two different receive diversity schemes - selection combining (SC), where the antenna with highest instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) is selected, and maximal-ratio combining (MRC). We also present the outage probability and diversity analysis for the CRS-NOMA system. Analytical results confirm that the CRS-NOMA system outperforms the CRS with conventional orthogonal multiple access (OMA) by achieving higher spectral efficiency at high transmit SNR and achieves a full diversity order.

연구 동기 및 목표

• 레이일리 fading 채널에서 다중 안테나 다중화 복합 기법을 적용한 NOMA 기반 협업 릴레이 시스템의 성능을 분석하기 위해.
• 스펙트럼 효율성 및 신뢰성 측면에서 기존의 오르토곤럴 다중접근(OMA) 릴레이 시스템과 비교하기 위해.
• 선택 복합(Sc) 및 최대비율 복합(MRC) 복합 기법 하에서 실현 가능한 합산 속도, 극복 확률 및 다중화 순서에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하기 위해.
• 분석적으로 CRS-NOMA가 전체 다중화 순서를 달성하여 페이딩 환경에서 신뢰성을 향상시킨다는 것을 증명하기 위해.
• NOMA를 활용한 협업 다중화 기반 5G 및 그 이후 네트워크의 전력 할당 및 시스템 설계에 대한 통찰을 제공하기 위해.

제안 방법

• 단일 안테나 소스, $N_r$개의 수신 안테나를 갖는 릴레이, $N_d$개의 수신 안테나를 갖는 목적지로 구성된 하프드럭스 NOMA 기반 협업 릴레이 시스템을 모델링한다.
• 전력 도메인 다중화를 적용하고, 전력 할당 계수 $a_1 > a_2$, $a_1 + a_2 = 1$을 사용하여 소스에서 두 개의 신호를 동시에 전송한다.
• 릴레이에서 순차적 인터페런스 제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 적용하여 $s_1$을 먼저 디코드하고, 이후 시간 슬롯 2에서 $s_2$를 재전송한다.
• 릴레이 및 목적지에서 선택 복합(Selection Combining, SC) 및 최대비율 복합(Maximal-Ratio Combining, MRC)을 적용하여 다중 안테나에서 유도되는 공간 다중화를 활용한다.
• 레이일리 페이딩에서 순서 통계를 사용하여 가장 강한 경로의 순간 신호대임계비(SNR)의 누적분포함수(CDF)를 유도한다.
• 적분 항등식 및 특수함수(예: 지수적분, 정규화되지 않은 감마함수)를 활용하여 평균 합산 속도 및 극복 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SC 및 MRC를 적용한 수신 다중화가 NOMA 기반 협업 릴레이 시스템의 실현 가능한 합산 속도에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 SC 및 MRC 복합 기법을 적용한 CRS-NOMA의 극복 확률 성능은 기존의 OMA 릴레이 시스템과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ3 SC 및 MRC 복합 기법 하에서 CRS-NOMA는 전체 다중화 순서를 달성하는가?
• RQ4 릴레이 및 목적지의 수신 안테나 수가 스펙트럼 효율성 및 신뢰성에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ5 다중 안테나 다중화를 적용한 레일리 페이딩 환경에서 합산 속도 및 극복 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 고신호대역비(SNR)에서 기존의 OMA 기반 협업 릴레이 시스템보다 CRS-NOMA 시스템이 더 높은 합산 속도를 달성하며, 이는 뛰어난 스펙트럼 효율성을 보여준다.
• SC 및 MRC 복합 기법 모두에서 시스템은 $N_r + N_d$의 전체 다중화 순서를 달성하여 다중 안테나에서 기인하는 전체 다중화 이득을 확인한다.
• 지수적분 및 정규화되지 않은 감마함수를 사용하여 SC 및 MRC 복합 기법 모두에 대해 평균 실현 가능한 합산 속도에 대한 폐쇄형 표현식을 도출하였다.
• 극복 확률은 분석적으로 도출되었으며, 릴레이 및 목적지의 수신 안테나 수가 증가할수록 감소하는 것으로 나타났다.
• 고신호대역비에서 CRS-NOMA의 성능 향상은 NOMA의 다중화 이득이 지배적인 영역에서 가장 두드러지게 나타났다.
• 유도된 표현식은 수치 결과를 통해 검증되었으며, 시뮬레이션 결과와 밀도 있는 일치를 보였으며, NOMA의 스펙트럼 효율성 및 다중화 이득에서의 우수성을 확인하였다.