[논문 리뷰] State of the Art, Taxonomy, and Open Issues on Cognitive Radio Networks with NOMA

Fuhui Zhou, Yongpeng Wu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 06.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비정렬 다중접근(NOMA)로 향상된 인지 무선 네트워크(CRN)에 대한 종합적인 설문을 제공하며, 운영 파라다임, 활성화 기술, 설계 목표 및 최적화 특성에 기반해 기존 연구를 분류하는 분류 체계를 제안한다. 간섭 관리, 보안, mmWave 통합, 협동 전송, 하이브리드 OMA-NOMA, 강건한 자원 할당과 같은 핵심 과제를 밝히며, 5G 및 그 이상의 네트워크에서 스펙트럼 효율성 향상과 대량 연결을 위한 중요한 통찰을 제공한다.

ABSTRACT

The explosive growth of mobile devices and the rapid increase of wideband wireless services call for advanced communication techniques that can achieve high spectral efficiency and meet the massive connectivity requirement. Cognitive radio (CR) and non-orthogonal multiple access (NOMA) are envisioned to be important solutions for the fifth generation wireless networks. Integrating NOMA techniques into CR networks (CRNs) has the tremendous potential to improve spectral efficiency and increase the system capacity. However, there are many technical challenges due to the severe interference caused by using NOMA. Many efforts have been made to facilitate the application of NOMA into CRNs and to investigate the performance of CRNs with NOMA. This article aims to survey the latest research results along this direction. A taxonomy is devised to categorize the literature based on operation paradigms, enabling techniques, design objectives and optimization characteristics. Moreover, the key challenges are outlined to provide guidelines for the domain researchers and designers to realize CRNs with NOMA. Finally, the open issues are discussed.

연구 동기 및 목표

• 비정렬 다중접근(NOMA) 기술이 통합된 인지 무선 네트워크(CRN)에 대한 최신 기술 동향을 종합적으로 검토하는 것.
• NOMA를 CRN에 구현함에 있어 발생하는 간섭, 보안 및 구현 복잡성과 같은 주요 기술 과제를 식별하고 분류하는 것.
• 운영 파라다임, 활성화 기술, 설계 목표 및 최적화 특성에 기반해 기존 문헌을 체계적으로 분류할 수 있는 주제별 분류 체계를 제안하는 것.
• NOMA를 CRN에 실용적으로 구현하기 위한 핵심 열린 문제와 향후 연구 방향을 제시하는 것.
• 하이브리드 NOMA-CRN 시스템에서 스펙트럼 효율성, 사용자 연결 및 강건한 자원 할당과 관련된 과제를 해결하는 데 연구자와 시스템 설계자들을 안내하는 것.

제안 방법

• 운영 파라다임(예: 언더레이, 오버레이), 활성화 기술(예: 파워 도메인, 코드 도메인 NOMA), 설계 목표(예: 스펙트럼 효율성, 에너지 효율성), 최적화 특성에 기반해 CRN-NOMA 연구를 분류하기 위한 다차원 분류 체계를 개발하였다.
• 최근 NOMA가 CRN에 통합된 기술적 진전을 조사하고 종합하였으며, 순차적 간섭 제거(SIC), 사용자 쌍화 및 mmWave 대역에서의 빔포밍과 같은 기술에 중점을 두었다.
• NOMA와 OMA를 조합한 하이브리드 다중접근 기반의 간섭 관리 및 다중 사용자 환경에서 수신기 복잡도 감소를 위한 기법을 분석하였다.
• 부정확한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 자원 할당 전략을 평가하였으며, 스펙트럼 효율성 대비 에너지 효율성 등의 다목적 트레이드오프를 고려한 강건 최적화에 중점을 두었다.
• NOMA 기반 CRN에서 악성 2차 사용자를 방지하기 위한 물리계층 보안 메커니즘을 논의하였다.
• NOMA SUs가 스펙트럼 접근 기회를 얻기 위해 PUs를 지원함으로써 오버레이 CRN에서 협동 전송을 설계하기 위한 지침을 제안하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 NOMA를 인지 무선 네트워크에 효과적으로 통합하여 스펙트럼 효율성을 향상시키고 대량 연결을 지원할 수 있는가?
• RQ2 CRN 내에서 NOMA를 구현함에 있어 간섭 관리 및 수신기 복잡도와 관련된 주요 기술 과제는 무엇인가?
• RQ3 다중 사용자 CRN 환경에서 성능과 구현 복잡도를 균형 잡기 위해 하이브리드 OMA-NOMA 다중접근 체계는 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ4 특히 빔포밍과 신호 차단 문제를 고려할 때, CRN에서 mmWave 통신과 NOMA를 통합함에 있어 주요 열린 과제는 무엇인가?
• RQ5 부정확한 CSI 하에서 어떻게 강건한 자원 할당을 달성할 수 있는가? 이는 CRN에서 NOMA를 사용하는 다중 사용자 검출 및 QoS 보호를 보장하기 위해 필수적이다.

주요 결과

• 특히 고밀도 사용자 환경에서 기존 OMA를 사용하는 전통적인 CRN에 비해, NOMA를 적용한 CRN는 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 보인다.
• 하이브리드 OMA-NOMA 체계는 사용자를 클러스터로 묶어 클러스터 내부에서는 NOMA를, 클러스터 간에는 OMA를 적용함으로써 수신기 복잡도를 효과적으로 낮추고 간섭을 관리한다.
• 오버레이 CRN에서 협동 전송은 NOMA SUs가 PUs를 지원함으로써 스펙트럼 접근 기회와 시스템의 공정성을 향상시키며, 최적의 사용자 스케줄링이 적용될 경우 효과적이다.
• 부정확한 CSI 하에서 강건한 자원 할당은 성능 유지에 매우 중요하며, 특히 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 충돌 목표 최적화에 있어 필수적이다.
• 물리계층 보안은 여전히 주요 열린 과제이며, 악성 SUs가 NOMA의 비정렬 특성을 악용해 정상 사용자로 위장할 수 있기 때문이다.
• CRN에서 mmWave와 NOMA를 통합하면 빔포밍 설계 및 신호 차단 등의 새로운 과제가 발생하며, 다중 사용자 지원을 위한 신규 접근 메커니즘이 필요하다.