[논문 리뷰] Spectrum Sharing for 6G Integrated Satellite-Terrestrial Communication Networks Based on NOMA and Cognitive Radio

Xin Liu, Kwok‐Yan Lam외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 27.

Satellite Communication Systems참고 문헌 14인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 6G 통합 위성-지상 통신망(ICTN)을 위한 CR-NOMA 하이브리드 스펙트럼 공유 프레임워크를 제안하여 스펙트럼 효율성을 향상시키고 광범위한 연결성을 지원한다. 비정렬 다중접속(NOMA)을 통한 다중 사용자 멀티플렉싱과 인지 무선(CR)을 통한 동적 스펙트럼 접근을 조합함으로써, 공백 대역과 점유 대역을 동시에 공유할 수 있게 되어 시스템 용량을 향상시키고, 전력 도메인 멀티플렉싱과 순차적 인터페런스 제거(SIC)를 통해 이종 간섭을 관리한다.

ABSTRACT

The explosive growth of bandwidth hungry Internet applications has led to the rapid development of new generation mobile network technologies that are expected to provide broadband access to the Internet in a pervasive manner. For example, 6G networks are capable of providing high-speed network access by exploiting higher frequency spectrum; high-throughout satellite communication services are also adopted to achieve pervasive coverage in remote and isolated areas. In order to enable seamless access, Integrated Satellite-Terrestrial Communication Networks (ISTCN) has emerged as an important research area. ISTCN aims to provide high speed and pervasive network services by integrating broadband terrestrial mobile networks with satellite communication networks. As terrestrial mobile networks began to use higher frequency spectrum (between 3GHz to 40GHz) which overlaps with that of satellite communication (4GHz to 8GHz for C band and 26GHz to 40GHz for Ka band), there are opportunities and challenges. On one hand, satellite terminals can potentially access terrestrial networks in an integrated manner; on the other hand, there will be more congestion and interference in this spectrum, hence more efficient spectrum management techniques are required. In this paper, we propose a new technique to improve spectrum sharing performance by introducing Non-orthogonal Frequency Division Multiplexing (NOMA) and Cognitive Radio (CR) in the spectrum sharing of ISTCN. In essence, NOMA technology improves spectrum efficiency by allowing different users to transmit on the same carrier and distinguishing users by user power levels while CR technology improves spectrum efficiency through dynamic spectrum sharing. Furthermore, some open researches and challenges in ISTCN will be discussed.

연구 동기 및 목표

• 위성 및 지상 통신망을 통합하여 증가하는 6G의 광범위한 고용량 연결 수요를 충족시키기 위해.
• 위성 및 지상 시스템 간에 공유되는 밀리미터파 대역(예: 26–40 GHz)에서의 스펙트럼 부족과 간섭 문제를 해결하기 위해.
• 고도화된 다중접속 및 동적 스펙트럼 공유를 통해 통합 위성-지상 통신망의 스펙트럼 효율성과 시스템 용량을 향상시키기 위해.
• 스마트 시티, IoT 및 산업 4.0, V2X와 같은 핵심 응용 분야를 위한 원활한, 전천후, 전 지역 커버리지 구현을 위해.
• 주 사용자에 대한 간섭을 최소화하면서 공백 대역과 점유 대역 모두에 대한 액세스를 지원하는 통합 스펙트럼 공유 프레임워크 개발을 위해.

제안 방법

• 전력 도메인 멀티플렉싱을 통해 다수의 사용자가 동일한 주파수 대역을 공유할 수 있도록 비정렬 다중접속(NOMA)을 통합한다.
• 인용 무선(CR) 기법을 적용하여 라이선스된 지상 대역에 대한 동적 스펙트럼 감지 및 기회적 액세스를 가능하게 한다.
• 수신단에서 순차적 인터페런스 제거(SIC)를 사용하여 전력 수준에 따라 특정 순서로 신호를 디코딩하고 제거한다.
• 비연속 OFDM(Non-Continuous OFDM, NC-OFDM)을 구현하여 비연속적인 공백 서브밴드를 집계하여 CR-NOMA에서 광대역 전송을 가능하게 한다.
• 필요한 경우 위성 신호를 먼저 디코딩하고 제거하여 지상 통신 성능을 우선시하는 통합 스펙트럼 공유 전략을 설계한다.
• 다중 비드 위성 시스템에서의 간섭을 줄이기 위해 낮은 전력 사용자를 우선시하는 공정한 NOMA 그룹화 기법을 제안한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 통합 위성-지상 통신망에서 스펙트럼 활용도를 극대화하기 위해 NOMA와 CR를 어떻게 통합 적용할 수 있는가?
• RQ2 CR-NOMA에서 간섭 관리와 사용자 공정성을 균형 잡기 위한 최적의 신호 디코딩 순서는 무엇인가?
• RQ3 경로 손실, 음영화 및 이동성로 인해 LEO 위성 시스템에서 정확한 스펙트럼 감지를 어떻게 달성할 수 있는가?
• RQ4 위성 채널에서 깊은 감쇠와 노이즈 조건 하에서 SIC 성능을 향상시키기 위한 수신기 설계 기법은 무엇인가?
• RQ5 6G 핵심 네트워크 기능을 위성 세그먼트와 어떻게 통합하여 원활한 글로벌 연결성을 구현할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 CR-NOMA 프레임워크는 위성 및 지상 사용자가 공백 대역과 점유 대역을 동시에 공유할 수 있도록 하여 전체 스펙트럼 액세스를 가능하게 한다.
• NOMA 기반의 스펙트럼 효율성은 전통적인 OMA 대비 5~15배 향상되어 시스템 용량이 크게 증가한다.
• SIC 기반 신호 디코딩은 고전력 사용자를 먼저 디코딩할 경우 다중 사용자 간섭을 크게 감소시킨다.
• 대기 중 감쇠와 위성 감지 능력의 제한으로 인해 정확한 스펙트럼 감지가 여전히 도전 과제이며, 특히 LEO 시스템에서 더욱 그렇다.
• 간섭은 간섭을 유발하는 비드 간 간섭과 다중 사용자 간섭이 엣지 사용자 성능을 저하시키므로, 저전력 사용자를 우선시하는 공정한 NOMA 그룹화 전략이 필요하다.
• 부정확한 SIC에서 오류 전파를 완화하기 위해 적응형 필터링과 약한 신호 탐지 기법을 활용한 강력한 위성 수신기 설계가 필수적이다.