[논문 리뷰] Robust Design for NOMA-based Multi-Beam LEO Satellite Internet of Things

Jianhang Chu, Xiaoming Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 08. 10.

Satellite Communication Systems참고 문헌 39인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 채널 위상 불확실성 하에서 총 전송 전력 최소화를 목표로 하는 비직교 다중접속(NOMA) 기반 다비트 저궤도위성 IoT 네트워크를 위한 두 가지 강건한 빔포밍 알고리즘을 제안한다. 게이트웨이를 통해 장치들로부터의 부정확한 채널 상태 정보(CSI)를 활용함으로써, 비핵심 및 핵심 IoT 응용 분야 모두에서 신뢰성 있는 성능을 보장하며, 기존의 TDMA 및 CDMA와 같은 기법들에 비해 뛰어난 강건성과 상당한 전력 절감 효과를 입증한다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate the issue of massive access in a beyond fifth-generation (B5G) multi-beam low earth orbit (LEO) satellite internet of things (IoT) network in the presence of channel phase uncertainty due to channel state information (CSI) conveyance from the devices to the satellite via the gateway. Rather than time division multiple access (TDMA) or frequency division multiple access (FDMA) with multi-color pattern, a new non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme is adopted to support massive IoT distributed over a very wide range. Considering the limited energy on the LEO satellite, two robust beamforming algorithms against channel phase uncertainty are proposed for minimizing the total power consumption in the scenarios of noncritical IoT applications and critical IoT applications, respectively. Both thoeretical analysis and simulation results validate the effectiveness and robustness of the proposed algorithms for supporting massive access in satellite IoT.

연구 동기 및 목표

• 제한된 스펙트럼과 에너지 자원을 가진 다비트 저궤도위성 네트워크에서 대량의 IoT 접속 문제를 해결한다.
• 게이트웨이를 통해 위성으로 피드백되는 장치들의 부정확한 CSI로 인한 채널 위상 불확실성으로 인한 성능 저하 문제를 해결한다.
• 비핵심 및 핵심 IoT 응용 분야 모두에 대해 실재적인 채널 불확실성 하에서 총 전송 전력을 최소화하는 강건한 빔포밍 알고리즘을 설계한다.
• NOMA를 전통적인 직교 다중접속(OMA) 기법들 대신 사용하여 고밀도, 광역 IoT 배치에서 품질보증(QoS) 및 간섭 완화를 확보한다.

제안 방법

• 채널 위상 불확실성 하에서 NOMA 기반 다비트 저궤도위성 IoT 네트워크를 위한 강건한 빔포밍 설계를 제안한다.
• 비핵심 IoT에 대한 평균 신호대간섭비합잡음비(SINR) 제약 조건과 핵심 IoT에 대한 장애 발생 확률 제약 조건을 각각 적용한 두 가지 최적화 문제를 수립한다.
• 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위해 정수형 완화(SDR)와 순차적 볼록 근사(СА) 기법을 활용한다.
• CSI의 경계 오차로 모델링된 위상 불확실성을 빔포밍 설계에 통합함으로써 채널 추정 오차에 대한 강건성을 확보한다.
• 실제 채널이 추정된 CSI에서 벗어나도 QoS를 유지할 수 있도록 강건한 설계 프레임워크를 도입한다.
• 성능 검증을 위해 기존의 TDMA, ZF 빔포밍 및 S-Bounding 방법과 제안된 알고리즘을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 채널 위상 불확실성 하에서 NOMA 기반 다비트 저궤도위성 IoT 네트워크에 대해 강건한 빔포밍을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 위상 오차는 빔포밍 성능에 어떤 영향을 미치며, 이를 어떻게 보완하여 QoS를 유지할 수 있는가?
• RQ3 기존의 OMA 기반 기법들인 TDMA 및 CDMA와 비교했을 때 제안된 강건한 빔포밍 알고리즘은 전력 효율성과 신뢰성 면에서 어떻게 다른가?
• RQ4 채널 불확실성 하에서 핵심 IoT 응용 분야에서 전력 소비와 장애 발생 확률 사이의 상충 관계는 어떠한가?
• RQ5 부정확한 CSI 하에서 비강건한 빔포밍에 비해 강건한 설계가 성능 저하를 얼마나 줄이는가?

주요 결과

• 제안된 강건한 빔포밍 알고리즘은 특히 높은 SINR 요구 조건에서 TDMA 및 ZF 빔포밍에 비해 총 전송 전력을 크게 절감한다.
• 알고리즘 1(평균 SINR 제약 조건)은 저~중간 SINR 영역에서 ZF 빔포밍보다 뛰어난 간섭 관리 성능을 보이며, 우월성을 입증한다.
• 알고리즘 2(장애 발생 확률 제약 조건)는 S-Bounding 방법보다 낮은 전력 소비를 달성하여 핵심 응용 분야에서의 효과성을 입증한다.
• 5°의 위상 불확실성 조건에서도 제안된 알고리즘과 완벽한 CSI 경우의 성능 격차는 미미하여 강건성을 확인한다.
• 특히 높은 위상 오차 조건에서 비강건한 빔포밍에 비해 강건한 설계에서 장애 발생 확률이 극적으로 감소하여 신뢰성 있는 QoS를 보장한다.
• 높은 SINR 및 높은 사용자 수 조건에서 CDMA보다 NOMA 기반 시스템이 훨씬 낮은 전력 소비를 보이며, 자원 블록당 더 많은 장치를 지원할 수 있음을 입증한다.