[논문 리뷰] Throughput Analysis and User Barring Design for Uplink NOMA-Enabled Random Access

Wenjuan Yu, Chuan Heng Foh외 3명|arXiv (Cornell University)|2020. 02. 09.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 19인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 전력 도메인 다중화를 사용하여 동일한 채널에서 여러 장치가 동시에 전송할 수 있도록 허용함으로써 스펙트럼 효율성과 전송량을 향상시키기 위해 업링크 mMTC를 위한 NOMA 기반 랜덤 액세스(NOMA-RA) 방식을 제안한다. 전송량을 분석하고 채널 피드백 기반의 적응형 사용자 차단 알고리즘을 도입함으로써, 이 방식은 폭발성 트래픽 조건에서도 기존의 MS-ALOHA보다 최대 전송량이 3배 이상 뛰어나게 된다.

ABSTRACT

Being able to accommodate multiple simultaneous transmissions on a single channel, non-orthogonal multiple access (NOMA) appears as an attractive solution to support massive machine type communication (mMTC) that faces a massive number of devices competing to access the limited number of shared radio resources. In this paper, we first analytically study the throughput performance of NOMA-based random access (RA), namely NOMA-RA. We show that while increasing the number of power levels in NOMA-RA leads to a further gain in maximum throughput, the growth of throughput gain is slower than linear. This is due to the higher-power dominance characteristic in power-domain NOMA known in the literature. We explicitly quantify the throughput gain for the very first time in this paper. With our analytical model, we verify the performance advantage of the proposed NOMA-RA scheme by comparing with the baseline multi-channel slotted ALOHA (MS-ALOHA), with and without capture effect. Despite the higher-power dominance effect, the maximum throughput of NOMA-RA with four power levels achieves over three times that of the MS-ALOHA. However, our analytical results also reveal the sensitivity of load on the throughput of NOMA-RA. To cope with the potential bursty traffic in mMTC scenarios, we propose adaptive load regulation through a practical user barring algorithm. By estimating the current load based on the observable channel feedback, the algorithm adaptively controls user access to maintain the optimal loading of channels to achieve maximum throughput. When the proposed user barring algorithm is applied, simulations demonstrate that the instantaneous throughput of NOMA-RA always remains close to the maximum throughput confirming the effectiveness of our load regulation.

연구 동기 및 목표

• 고스란히 스펙트럼 효율성과 저지연 랜덤 액세스를 확보하면서 mMTC에서 다량의 장치 액세스 문제를 해결한다.
• 전력 도메인 다중화와 순차적 인터페런스 제거(SIC) 조건 하에서 NOMA 기반 랜덤 액세스(NOMA-RA)의 전송량 성능을 분석한다.
• 네트워크 부하를 조절하고 최적의 채널 이용률을 유지하기 위해 적응형 사용자 차단 메커니즘을 설계한다.
• NOMA-RA가 기존의 MS-ALOHA보다 최대 전송량과 트래픽 폭발성에 대한 강건성 측면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 채널당 L개의 전력 수준에서 사용자 전송을 포아송 도착 과정으로 모델링한다.
• 채널 i에 접근하는 U_i 사용자 수를 고려하여 성공적으로 디코딩된 패킷의 기대 수로 조건부 전송량을 유도한다.
• 첫 번째 전력 충돌 사건과 충돌가 없지만 공백 전력 수준이 존재하는 경우를 고려하여 공백 채널 확률을 수립한다.
• 수신된 전력 순서로 순차적 인터페런스 제거(SIC)를 사용하여 신호를 디코딩함으로써 동시에 다수의 전송을 가능하게 한다.
• 채널 피드백에서 현재 부하를 추정하고 액세스를 제어함으로써 최적의 부하를 유지하는 사용자 차단 알고리즘을 제안한다.
• 분석적 전송량 모델을 시뮬레이션과 통합하여 다양한 트래픽 부하 조건에서의 성능을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 NOMA-RA에서 전력 수준의 수가 최대 시스템 전송량에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ2 캡처 효과 유무에 따라 NOMA-RA의 분석적 전송량 향상은 기준선인 MS-ALOHA 대비 얼마나 되는가?
• RQ3 mMTC 환경에서 트래픽 부하 변동에 대해 NOMA-RA 전송량은 얼마나 민감한가?
• RQ4 폭발성 트래픽 조건 하에서 적응형 사용자 차단 알고리즘이 근사 최대 전송량을 효과적으로 유지할 수 있는가?
• RQ5 전력 도메인 NOMA에서 고전력 우세 현상이 시스템 성능과 부하 조절에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 4개의 전력 수준을 사용하는 NOMA-RA의 최대 전송량은 동일한 채널 조건에서도 MS-ALOHA의 3배 이상을 초과한다.
• 전력 수준을 늘일수록 전송량 향상은 전력 우세 현상의 영향으로 인해 비선형적으로 증가한다.
• 제안된 사용자 차단 알고리즘은 채널 피드백 기반으로 액세스를 동적으로 조절함으로써 순순간 전송량을 이론적 최대 전송량에 가까이 유지한다.
• 공백 채널 확률 모델은 전력 충돌과 이용 가능한 공백 자원 간의 상충 관계를 정확히 반영하여 효과적인 부하 추정을 가능하게 한다.
• 시뮬레이션 결과, 적응형 사용자 차단 메커니즘이 폭발성 트래픽 하에서도 성능을 안정화시키며 고부하 시 전송량 붕괴를 방지함을 확인하였다.
• 분석 모델은 전송량 향상과 부하 민감도를 성공적으로 정량화하였으며, mMTC 네트워크에 실용적으로 구현할 수 있는 기반을 제공한다.