[논문 리뷰] Optimizing Non-Orthogonal Multiple Access in Random Access Networks

Ziru Chen, Yong Liu외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 13인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 랜덤 액세스 네트워크에서 네트워크 스루풋을 최대화하기 위해 비직교 다중접속(NOMA)을 통합한 최적화된 p-지속 슬롯 ALOHA 프로토콜을 제안한다. 고전력 및 저전력 사용자의 전송 확률을 모델링하고 순차적 인터패런스 제거(SIC)를 적용함으로써, 저자들은 성공적인 NOMA 디코딩을 위한 분석적 조건을 유도하고, 고/저전력 전송 확률을 공동 최적화하기 위한 반복 알고리즘을 제안하여 기존 ALOHA 대비 뚜렷한 스루풋 향상을 달성한다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been considered as a promising solution for improving the spectrum efficiency of next-generation wireless networks. In this paper, the performance of a p-persistent slotted ALOHA system in support of NOMA transmissions is investigated. Specifically, wireless users can choose to use high or low power for data transmissions with certain probabilities. To achieve the maximum network throughput, an analytical framework is developed to analyze the successful transmission probability of NOMA and long term average throughput of users involved in the non-orthogonal transmissions. The feasible region of the maximum number of concurrent users using high and low power to ensure successful NOMA transmissions are quantified. Based on the analysis, an algorithm is proposed to find the optimal transmission probabilities for users to choose high and low power to achieve the maximum system throughput. In addition, the impact of power settings on the network performance is further investigated. Simulations are conducted to validate the analysis.

연구 동기 및 목표

• 랜덤 액세스와 제한된 채널 상태 정보를 가진 기계 유형 통신(MTC) 환경에서 스펙트럼 효율을 극대화하는 데 도전하는 것.
• 사용자가 다양한 전력 수준으로 채널에 무작위로 액세스하는 p-지속 슬롯 ALOHA 시스템에서 NOMA의 실현 가능성을 분석하는 것.
• SIC를 통해 성공적인 NOMA 디코딩을 보장하기 위해 동시에 존재하는 고전력 및 저전력 사용자의 가능 영역을 도출하는 것.
• 장기 평균 시스템 스루풋을 극대화하기 위해 고전력 및 저전력 모드의 최적 전송 확률을 공동으로 결정하는 최적화 알고리즘을 개발하는 것.

제안 방법

• 사용자 분포, 경로 손실, fading 및 전력 할당을 기반으로 NOMA 사용자의 성공 전송 확률을 계산하기 위한 수학적 모델을 개발한다.
• 사용자별 데이터 비율을 SINR 및 SIC 성능에 따라 결정함으로써 장기 평균 스루풋에 대한 분석적 표현을 유도한다.
• 고전력 및 저전력 사용자 수의 가능 영역을 정량화하여 성공적인 NOMA 전송을 위한 충분하고 필수 조건을 규명한다.
• 시스템 스루풋을 극대화하기 위해 고전력 및 저전력 사용자에 대한 전송 확률을 번갈아 가며 최적화하는 반복 알고리즘을 제안한다.
• 사용자들이 고전력(v₁) 또는 저전력(v₂)으로 선택할 확률이 각각 τ₁ 및 τ₂임을 고려한 전력 제어 전략을 사용하여 간섭과 신뢰성의 균형을 맞춘다.
• MATLAB을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 모델을 검증하며, NOMA 기반 ALOHA와 기존 ALOHA를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SIC 하에서 p-지속 슬롯 ALOHA 시스템에서 성공적인 NOMA 디코딩을 보장하기 위해 고전력 및 저전력 사용자의 가능 영역은 어떻게 되는가?
• RQ2 고전력 및 저전력 모드의 전송 확률 τ₁ 및 τ₂는 장기 평균 시스템 스루풋에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 다양한 사용자 수와 전력 수준에서 시스템 스루풋을 극대화하기 위한 τ₁ 및 τ₂의 최적 공동 설정은 무엇인가?
• RQ4 전력 수준(v₁, v₂)과 SINR 임계값의 선택은 무작위 액세스 네트워크에서 NOMA의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 NOMA는 기존의 NOMA 없이 p-지속 ALOHA 대비 스루풋을 어느 정도 향상시키는가?

주요 결과

• 고전력 및 저전력 사용자에 대한 최적 전송 확률 τ₁ 및 τ₂는 동일하지 않으며, 스루풋을 극대화하기 위해 τ₁ > τ₂가 필요하다. 이는 높은 전력이 디코딩 신뢰성과 멀티plex링 이득을 향상시키기 때문이다.
• 최대 네트워크 스루풋은 특정 사용자 수 m에서 달성되며, 경쟁 증가로 인해 스루풋이 정점에 도달한 후 감소한다. 전송 확률이 낮을수록 정점은 오른쪽으로 이동한다.
• 제안된 알고리즘은 약 10회 반복 이내에 최적 해에 수렴하며, 그 이후에는 스루풋 향상이 거의 없어진다.
• 시뮬레이션 결과, NOMA 기반 ALOHA가 기존 ALOHA보다 뚜렷한 스루풋 향상을 보이며, 특히 중간 수준의 사용자 밀도에서 두드러진다.
• 성공적인 NOMA 전송을 위한 가능 영역은 경계가 존재한다. n₁=2개의 고전력 사용자와 n₂=5개의 저전력 사용자가 있을 경우, 둘 다 디코딩 가능하다. 그러나 n₂를 10 이상으로 늘리면 과도한 간섭으로 인해 저전력 사용자 디코딩에 실패한다.
• 사용자가 다양한 거리에 분포해 있고 전력 수준이 간섭과 전송률의 균형을 이루도록 철저히 제어될 경우, NOMA의 스루풋 향상 효과가 가장 두드러진다.