[논문 리뷰] Random Beamforming in Millimeter-Wave NOMA Networks

Z. Ding, P. Fan외 1명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 21.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 백스테이션에서 전체 채널 상태 정보(CSI)를 요구하지 않기 위해 피드백 오버헤드를 줄이기 위해 밀리미터파 비직교 다중접근(mmWave-NOMA) 네트워크를 위한 랜덤 비트포밍 방식을 제안한다. 방향성 mmWave 전파와 확률적 기하학을 활용함으로써, 높은 스펙트럼 효율성과 아웃지 성능을 달성하며, 한 비트 피드백을 통해 상당한 오버헤드 감소를 이끌어내면서도 최적의 임계값 설계를 통해 전체 다각도 성능을 유지한다.

ABSTRACT

This paper investigates the coexistence between two key enabling technologies for the fifth generation (5G) mobile networks, non-orthogonal multiple access (NOMA) and millimeter-wave (mmWave) communications. Particularly, the application of random beamforming to the addressed mmWave-NOMA scenario is considered in this paper, in order to avoid the requirement that the base station knows all the users' channel state information. Stochastic geometry is used to characterize the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission scheme, by using the key features of mmWave systems, e.g., mmWave transmission is highly directional and potential blockages will thin the user distribution. Two random beamforming approaches which can further reduce the system overhead are also proposed to the addressed mmWave-NOMA communication scenario, where their performance is studied by developing analytical results about sum rates and outage probabilities. Simulation results are also provided to demonstrate the performance of the proposed mmWave-NOMA transmission schemes and verify the accuracy of the developed analytical results.

연구 동기 및 목표

• 전체 채널 상태 정보(CSI)가 일반적으로 필요로 하는 mmWave-NOMA 시스템에서 높은 피드백 오버헤드 문제를 해결한다.
• mmWave 전파의 방향성과 차단 효과를 활용하여 피드백이 필요한 사용자 수를 줄인다.
• 시스템 오버헤드를 최소화하면서도 성능를 유지하기 위해 부분 CSI 및 한 비트 피드백을 포함한 저피드백 비트포밍 전략을 개발한다.
• 사용자 분포와 간섭을 모델링하기 위해 확률적 기하학을 사용하여 합성 비트율과 아웃지 확률을 분석적으로 규명한다.
• 부분 CSI 하에서 유리한 사용자 쌍화가 가능하기 때문에, 제한된 피드백 전략이 완벽한 CSI 전략을 능가할 수 있음을 입증한다.

제안 방법

• 확률적 기하학을 적용하여 mmWave 네트워크에서 사용자 분포를 모델링하고, 경로 손실, 샤도잉 및 차단 효과를 통합한다.
• 전체 CSI 피드백을 피하기 위해 단일 비트포밍을 사용하는 랜덤 비트포밍을 적용하며, 사용자 거리 또는 한 비트 피드백을 활용해 스케줄링을 수행한다.
• 사용자들이 경로 손실 기반 거리 정보만 피드백하는 부분 CSI 방식을 제안하여, 효과적 채널 이득 대신 경로 손실 순서로 정렬할 수 있도록 한다.
• 사용자들이 자신의 채널 품질이 임계값을 초과하는지 여부만 한 비트로 보고하는 한 비트 피드백 방식을 설계하여 피드백량을 한 명의 사용자당 한 비트로 줄인다.
• 피드백 임계값이 사용자 쌍화 및 다각도 성능에 미치는 영향을 분석하고, 최적의 임계값 선택이 강한 사용자에 대해 전체 다각도 성능을 유지함을 보여준다.
• 각도적 간격과 비트포밍 패턴의 직접성에 기반해 비트포밍 간섭을 모델링하고, 좁은 비트포밍 폭(Δ = 0.01, 약 4° 비트포밍 폭)을 통해 간섭을 효과적으로 억제함을 보여준다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 랜덤 비트포밍은 mmWave-NOMA에서 스펙트럼 효율성이나 아웃지 성능을 희생시키지 않고 피드백 오버헤드를 줄일 수 있는가?
• RQ2 mmWave-NOMA에서 경로 손실(거리) 기반 부분 CSI는 전체 CSI에 비해 시스템 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 한 비트 피드백은 mmWave-NOMA에서 사용자 쌍화 및 다각도 성능에 어떤 영향을 미치며, 전체 다각도 성능을 유지할 수 있는가?
• RQ4 피드백 임계값의 선택은 한 비트 피드백 방식의 성능 및 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 부분 CSI 하에서 더 나은 사용자 쌍화가 가능하기 때문에, 제한된 피드백 전략이 완벽한 CSI 전략을 능가할 수 있는가?

주요 결과

• 한 비트 피드백 방식에서 강한 사용자의 다각도 성능은 사용자 수 K의 증가함수이며, 약한 사용자의 다각도 성능은 항상 1로 유지된다.
• 적절히 설계된 임계값을 통해 한 비트 피드백 방식은 강한 사용자에 대해 전체 다각도 성능을 달성하여 신뢰성 있는 성능을 보장한다.
• 가장 열악한 사용자와 두 번째로 열악한 사용자를 쌍화할 경우, 부분 CSI 하에서의 유리한 사용자 쌍화 덕분에 한 비트 피드백 방식의 합성 비트율이 완벽한 CSI 방식을 초월할 수 있다.
• 특히 좁은 비트포밍 폭(Δ = 0.01)을 통해 mmWave 비트포밍의 방향성 덕분에 비트포밍 간섭이 상당히 억제되어 효과적인 다중 비트포밍 운영이 가능하다.
• mmWave-NOMA는 mmWave-OMA보다 합성 비트율과 아웃지 확률 모두에서 뛰어난 성능을 보이며, 고전압 전송에서 NOMA는 강한 사용자에 대해 0% 아웃지 확률을 달성하는 반면 OMA는 그렇지 않다.
• 시뮬레이션 결과는 확률적 기하학 기반의 성능 모델의 분석 정확성을 확인하였으며, 합성 비트율과 아웃지 확률에 대한 유도된 식들이 검증됨을 입증한다.