[논문 리뷰] Sparse or Dense: A Comparative Study of Code-Domain NOMA Systems

Zilong Liu, Lie‐Liang Yang|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 42인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 코드 도메인 NOMA 시스템에서 희소 코드 다중접속(SCMA)과 고밀도 코드 다중접속(DCMA)을 비교하며, DCMA가 Rayleigh fading 채널에서 최대 다변화 순서(DO)를 달성함을 보여주며, 이는 SCMA가 코드북의 희소성으로 인해 제한받는 것과 대조된다. 일반화된 구면 디코딩을 통해 DCMA는 유사한 디코딩 복잡도로 SCMA보다 훨씬 우수한 오류율 성능을 달성한다.

ABSTRACT

This paper is focused on code-domain non-orthogonal multiple access (CD-NOMA), which is an emerging paradigm to support massive connectivity for future machine-type wireless networks. We take a comparative approach to study two types of overloaded CD-NOMA, i.e., sparse code multiple access (SCMA) and dense code multiple access (DCMA), which are distinctive from each other in terms of their codebooks having sparsity or not. By analysing their individual diversity orders (DO) in Rayleigh fading channels, it is found that DCMA can be designed to enjoy full DO which is equal to the maximum number of resource nodes in the system. This is in contrast to SCMA whose error rate suffers from limited DO equal to the codebook sparsity (i.e., the effective number of resource nodes occupied by each user). We conduct theoretical analysis for the codebook design criteria and propose to use generalized sphere decoder for DCMA detection. We numerically evaluate two types of multiple access schemes under "4x6" (i.e., six users communicate over four subcarriers) and "5x10" NOMA settings and reveal that DCMA gives rise to significantly improved error rate performance in Rayleigh fading channels, whilst having decoding complexity comparable to that of SCMA.

연구 동기 및 목표

• Rayleigh fading 채널 조건에서 코드 도메인 NOMA 시스템에서 희소 코드 다중접속(SCMA)과 고밀도 코드 다중접속(DCMA)의 성능을 비교한다.
• SCMA와 DCMA의 다변화 순서(DO)를 분석하고 대조하며, 코드북의 희소성으로 인한 SCMA의 근본적 한계를 규명한다.
• DCMA의 전체 DO 잠재력을 활용하기 위해 일반화된 구면 디코딩(GSD)을 효과적인 검출 방법으로 제안한다.
• 4×6 및 5×10과 같은 실제 NOMA 구성 조건에서 두 방식의 오류율 성능 및 디코딩 복잡도를 평가한다.
• 최소 곱 거리 및 단일 오류 쌍별 오류 확률(PEP) 측면에서 DCMA 및 SCMA에 최적의 코드북 설계를 규명한다.

제안 방법

• Rayleigh fading 채널에서 SCMA 및 DCMA의 다변화 순서(DO)를 유도하기 위해 쌍별 오류 확률(PEP)의 이론적 분석을 수행한다.
• DCMA에 대한 비선형 검출 기법으로 일반화된 구면 디코딩(GSD)을 제안하며, 단일 입력 단일 출력(SISO) 검출을 위한 변형인 STS-GSD를 도입한다.
• 최소 곱 거리(MPD)를 최대화하는 기준에 기반한 코드북 설계 기준을 유도하며, M=4인 DCMA에 대해 단위 크기 순열이 최적임을 입증한다.
• SCMA의 경우, 단일 오류 PEP 성능 측면에서 단위 크기 저밀도 순열(LDS)이 최적임을 규명한다.
• OFDM 기반 CD-NOMA 시스템에서 4×6 및 5×10 구성 조건을 바탕으로 수치 시뮬레이션을 수행하여 비트 오류율(BER), 블록 오류율(BLIER), 계산 복잡도를 비교한다.
• FLOPs당 log₂M 심벌 기준으로 정규화된 복잡도를 평가하며, DCMA의 STS-GSD와 SCMA의 메시지 전파 알고리즘(MPA)을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 SCMA와 DCMA의 다변화 순서(DO)는 Rayleigh fading 채널에서 어떻게 되며, 코드북의 희소성은 이를 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 DCMA는 모든 서브차원에 신호를 확산시켜 최대 다변화 순서를 달성할 수 있으며, 이는 SCMA의 제한된 DO와 어떻게 대비되는가?
• RQ3 Rayleigh fading 조건에서 최소 곱 거리 측면에서 DCMA에 최적의 코드북 설계는 무엇인가?
• RQ4 오류율 및 복잡도 측면에서 일반화된 구면 디코딩(GSD)의 성능은 메시지 전파 알고리즘(MPA)과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 대규모 NOMA 시스템에서 DCMA와 SCMA 간의 오류율 성능과 디코딩 복잡도 간의 상호 교환 관계는 어떠한가?

주요 결과

• DCMA는 최대 자원 노드 수(예: 서브차원)와 동일한 최대 다변화 순서(DO)를 달성하는 반면, SCMA의 DO는 코드북의 희소성(d_v)로 제한되어 오류율 성능이 제약을 받는다.
• Rayleigh fading 채널에서 단위 크기 순열을 사용한 DCMA는 최대 최소 곱 거리를 달성하여 M=4일 때 최적임을 입증한다.
• SCMA의 경우, 단위 크기 저밀도 순열(LDS)이 최고의 단일 오류 쌍별 오류 확률(PEP) 성능을 보이며, 이는 최적성의 확인이다.
• 수치 결과는 4×6 및 5×10 NOMA 구성 모두에서 DCMA가 BER 및 BLER 측면에서 SCMA를 뚜렷이 능가함을 보여준다.
• 4×6 설정에서는 DCMA의 STS-GSD 복잡도가 SCMA의 MPA 대비 약 35% 수준이며, 5×10 설정에서는 약 33% 높은 것으로 나타나, 뛰어난 성능에도 불구하고 유사한 복잡도를 유지함을 시사한다.
• DCMA의 ESE-LMMSE 검출기는 시스템 스루풋이 2를 초과할 경우 수렴하지 못함을 확인하여, 고스루풋 DCMA 시스템에서 GSD와 같은 비선형 검출의 중요성을 강조한다.