[논문 리뷰] Performance Analysis of a Hybrid Downlink-Uplink Cooperative NOMA Scheme

Zhiqiang Wei, Linglong Dai외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 02.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 22인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 동시에 협업 중계와 간섭 없는 업링크 전송을 가능하게 하여 기존의 협업 NOMA 및 비협업 NOMA보다 높은 스펙트럼 효율성을 달성하는 하이브리드 다운링크-업링크 협업 NOMA(HDU-CNOMA) 방식을 제안한다. 이는 약간의 약한 사용자 신뢰성 저하를 감수함으로써 달성된다.

ABSTRACT

This paper proposes a novel hybrid downlinkuplink cooperative NOMA (HDU-CNOMA) scheme to achieve a better tradeoff between spectral efficiency and signal reception reliability than the conventional cooperative NOMA schemes. In particular, the proposed scheme enables the strong user to perform a cooperative transmission and an interference-free uplink transmission simultaneously during the cooperative phase, at the expense of a slightly decrease in signal reception reliability at the weak user. We analyze the outage probability, diversity order, and outage throughput of the proposed scheme. Simulation results not only confirm the accuracy of the developed analytical results, but also unveil the spectral efficiency gains achieved by the proposed scheme over a baseline cooperative NOMA scheme and a non-cooperative NOMA scheme.

연구 동기 및 목표

• 기존의 협업 NOMA(CNOMA) 방식에서의 스펙트럼 효율성-신뢰성 트레이드오프 문제를 해결한다.
• 협업 단계 동안 중복된 다운링크 전송으로 인한 스펙트럼 효율성 손실을 완화한다.
• 강한 사용자의 사이드 인포메이션(측정 정보)을 활용하여 협업 단계 동안 추가적인 간섭 없는 업링크 전송을 가능하게 한다.
• outage 확률, 분산 순서, 및 outage 통신량을 분석하여 시스템 성능을 평가한다.
• 제안된 방식이 약한 사용자 신뢰성에 미치는 영향을 최소화하면서도 더 높은 시스템 합산 속도를 달성함을 입증한다.

제안 방법

• 강한 사용자가 동일한 시간 슬롯 내에서 협업 중계와 업링크 전송을 모두 수행하는 하이브리드 다운링크-업링크 협업 NOMA(HDU-CNOMA) 방식을 제안한다.
• 협업 단계 동안 기지국에서 강한 사용자가 복호화한 메시지(측정 정보)를 활용하여 중첩 신호 내 간섭을 제거한다.
• 통계적 채널 상태 정보와 Rayleigh fading 가정을 기반으로 출구 확률 및 분산 순서에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 수치적 평가를 위해 출구 확률을 근사하기 위해 Gauss-Chebyshev 적분을 적용한다.
• 시간분할이중화(TDD) 및 하프드럭스 작동 방식을 가정하고, 독립적인 준정적 Rayleigh fading 채널을 모델링한다.
• 출구 통신량 및 신뢰성 지표 측면에서 제안된 방식을 기존의 CNOMA 및 비협업 NOMA와 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협업 단계 동안 업링크 전송을 통합함으로써 스펙트럼 효율성을 향상시킬 수 있을까? 이는 약한 사용자 신뢰성에 크게 영향을 주지 않을까?
• RQ2 기존의 CNOMA와 비교했을 때 제안된 HDU-CNOMA 방식은 출구 확률 및 분산 순서에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 제안된 방식에서 전력 할당 및 채널 조건이 시스템 출구 통신량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 강한 사용자의 사이드 인포메이션 활용이 협업 단계 동안 업링크 전송 신뢰성에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 비협업 NOMA 및 기존의 CNOMA와 비교했을 때 제안된 방식이 스펙트럼 효율성과 신호 수신 신뢰성 간의 트레이드오프를 더 잘 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 HDU-CNOMA 방식은 기존의 CNOMA 및 비협업 NOMA보다 더 높은 출구 통신량을 달성하며, 특히 중간에서 높은 신호대임비(SNR) 영역에서 두드러진다.
• 출구 확률 분석 결과는 분석적 결과와 시뮬레이션 결과가 근사적으로 일치함을 보여주며, 유도된 폐쇄형 표현식의 정확성을 검증한다.
• HDU-CNOMA에서 약한 사용자(UE2)의 출구 확률은 기존의 CNOMA보다 略로 높지만, 협업 단계에서의 전력 공유로 인한 손실은 전체 시스템 성능 향상으로 상쇄된다.
• 1/3 bit/s/Hz 이상의 전송 속도에서 HDU-CNOMA의 업링크 출구 확률에서의 오차 평면(error floor)는 CNOMA보다 낮다. 이는 업링크 전송을 위한 두 개의 시간 슬롯(t2 및 t3)이 존재하기 때문이다.
• 시스템의 분산 순서는 유지되어, 제안된 방식이 깊은 감쇠에 대해 강건함을 유지함을 나타낸다.
• 스펙트럼 효율성 향상은 협업 단계 동안 강한 사용자로부터 간섭 없는 업링크 전송을 가능하게 하여 달성되며, 이는 기존의 CNOMA 방식에서 활용되지 않았다.