[논문 리뷰] Short-Packet Communications in Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Xiaofang Sun, Shihao Yan외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 04. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 처음으로 비직교 다중접속(NOMA)을 단기 패킷 통신에 도입하여 지연 시간 제약 조건 하에서 유효 전송률과 전력 할당을 최적화하여 유효 전송률을 극대화한다. 이는 특히 두 사용자 간의 전송률 목표가 유사할 경우, 전통적인 직교 다중접속(OMA)보다 훨씬 뛰어난 성능을 보이며, 유한한 블록길이 조건에서 더 낮은 지연 또는 더 높은 전송률을 가능하게 한다.

ABSTRACT

This work introduces, for the first time, non-orthogonal multiple access (NOMA) into short-packet communications to achieve low latency in wireless networks. Specifically, we address the optimization of transmission rates and power allocation to maximize the effective throughput of the user with a higher channel gain while guaranteeing the other user achieving a certain level of effective throughput. To demonstrate the benefits of NOMA, we analyze the performance of orthogonal multiple access (OMA) as a benchmark. Our examination shows that NOMA can significantly outperform OMA by achieving a higher effective throughput with the same latency or incurring a lower latency to achieve the same effective throughput targets. Surprisingly, we find that the performance gap between NOMA and OMA becomes more prominent when the effective throughput targets at the two users become closer to each other. This demonstrates that NOMA can significantly reduce the latency in the context of short-packet communications with practical constraints.

연구 동기 및 목표

• 5G 기계간 통신(MTC)에서 짧은 패킷(예: 100비트)이 100μs 이내로 전달되어야 하는 저지연 통신의 핵심적 요구를 해결하기 위해.
• 해결되지 않은 연구 과제인, 디코딩 오류 확률이 무시할 수 없고 전통적인 샤논 용량 가정이 실패하는 유한 블록길이 영역에서의 NOMA 성능 분석을 메우기 위해.
• 두 대칭 안테나를 갖춘 단일 안테나 사용자 두 명을 대상으로 하는 다운링크 NOMA 시스템에서 전력 및 전송률 할당을 최적화하여 더 강한 사용자에 대한 유효 전송률을 극대화하면서도 약한 사용자에 대한 최소 유효 전송률을 보장하기 위해.
• 동일한 조건 하에서 NOMA 성능을 OMA와 비교하여, 유한 블록길이 영역에서 지연과 전송률 향상 정도를 정량화하기 위해.

제안 방법

• 단일 안테나 기지국이 두 개의 단일 안테나 사용자를 서비스하는 다운링크 NOMA 시스템을 모델링하고, 유한 블록길이 채널 코딩을 적용한다.
• 문헌 [4]에서 제시된 유한 블록길이 채널 용량 공식을 적용하여 디코딩 오류 확률을 고려한 유효 전송률을 유도한다.
• 채널 이득이 우수한 사용자에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용하여 먼저 자신의 신호를 디코딩한 후, 약한 사용자의 신호를 디코딩한다.
• 사용자 1(강한 채널)의 유효 전송률을 극대화하기 위해 제약 조건 최적화 문제를 통해 전송률과 전력 할당을 최적화하며, 사용자 2에 대한 최소 유효 전송률 제약 조건을 만족시킨다.
• Q-함수와 정규분포 꼬리 확률을 포함한 전송률에 대한 유효 전송률의 해석적 표현을 유도한다.
• 전송률에 대한 유효 전송률 함수의 볼록성(볼록성)을 증명하여 유일한 전역 최대값을 보장한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA는 유한 블록길이 제약 조건 하에서 OMA에 비해 단기 패킷 통신에서 어떻게 성능을 발휘하는가?
• RQ2 채널 품질가 뛰어난 사용자에 대한 유효 전송률을 극대화하면서도 다른 사용자에 대한 최소 전송률 요구사항을 충족시키기 위해 최적의 전력 및 전송률 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 NOMA가 OMA를 능가하는 성능 향상 정도는 두 사용자 간 상대적 전송률 목표에 따라 달라지는가?
• RQ4 동일한 지연 시간 조건에서 NOMA는 OMA보다 더 높은 유효 전송률을 달성할 수 있는가, 또는 동일한 전송률을 더 낮은 지연 시간으로 달성할 수 있는가?
• RQ5 단기 패킷 전송 조건 하에서 디코딩 오류 확률은 NOMA와 OMA의 유효 전송률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 약한 사용자에 대해 동일한 최소 유효 전송률을 보장할 때, 더 강한 사용자에 대한 유효 전송률 측면에서 NOMA는 OMA를 크게 능가한다.
• 두 사용자 간 유효 전송률 목표가 서로 유사할수록 NOMA와 OMA 간의 성능 격차가 더욱 두드러진다.
• 동일한 지연 제약 조건 하에서 NOMA는 OMA보다 더 높은 유효 전송률을 달성할 수 있으며, 이는 저지연 응용 분야에서의 우수성을 입증한다.
• 특히 사용자 목표가 균형을 이루는 경우, NOMA는 OMA보다 더 낮은 지연 시간으로 동일한 유효 전송률 목표를 달성할 수 있다.
• 강한 사용자에 대한 최적 전송률은 해석적으로 유도되었으며, 유효 전송률 함수가 엄격하게 볼록함을 증명하여 유일한 전역 최대값이 존재함을 보였다.