[논문 리뷰] Virtual User Pairing Non-Orthogonal Multiple Access in Downlink Coordinated Multipoint Transmission

Denny Kusuma Hendraningrat, Muhammad Basit Shahab외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 03. 26.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 14인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 세 셀 다운링크 네트워크에서 에르고딕 합성용량(ESC)을 향상시키기 위해 공동 전송 조정 다중접속(JT-CoMP) 가상 사용자 페어링 비직렬 다중접속(VP-NOMA) 방식을 제안한다. 여러 기지국이 셀 엣지 사용자를 공동으로 서비스하면서, 전력 도메인 multiplexing를 통해 한 근거리 사용자와 다수의 원거리 사용자를 페어링함으로써, OMA, NOMA, VP-NOMA에 비해 우수한 ESC 성능 향상을 달성한다. 특히 채널 상태 정보(CSI)가 불완전하고 순차적 간섭 제거(SIC) 조건에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, joint transmission coordinated multipoint (JT-CoMP) is exploited by using virtual user pairing non-orthogonal multiple access (VP-NOMA), termed as JT-CoMP VP-NOMA. The technique combines both VP-NOMA for enhancing ergodic sum capacity (ESC) and JT-CoMP for inter-cell interference mitigation. To show the performance gains, ESC of a three-cell scenario is analyzed as a key performance metric. The analytical and simulation results of JT-CoMP VP-NOMA are compared with orthogonal multiple access (OMA), non-orthogonal multiple access (NOMA), and VP-NOMA. It is shown that the proposed JT-CoMP VP-NOMA outperforms the other schemes in the viewpoint of ESC.

연구 동기 및 목표

• 비균형 사용자 분포를 가진 다셀 환경에서 기존 NOMA 및 CoMP 기법의 성능 한계를 해결한다.
• 기존 CoMP가 단일 원거리 사용자만 지원하는 제약을 극복하기 위해 다수의 셀 엣지 사용자를 공동 전송 방식으로 처리한다.
• 비대칭적 사용자 페어링을 활용한 세 셀 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 에르고딕 합성용량(ESC)을 향상시킨다.
• 불완전한 채널 상태 정보(CSI)와 불완전한 순차적 간섭 제거(SIC)가 시스템 성능에 미치는 영향을 분석한다.
• 실제 시스템 손상 조건을 반영한 ESC에 대한 폐쇄형 해석적 표현식을 도출하여 성능 향상의 타당성을 검증한다.

제안 방법

• 각 셀에 근거리 사용자 1명과 원거리 사용자 1명이 존재하는 세 셀 다운링크 네트워크 모델을 도입하며, 원거리 사용자는 셀 엣지에 위치한다.
• 비중복 주파수 대역을 사용하여 각 근거리 사용자와 네트워크 전역의 세 명의 원거리 사용자를 페어링함으로써 가상 사용자 페어링(VP-NOMA)을 구현한다.
• 모든 세 기지국이 동시에 원거리 사용자에게 전송할 수 있도록 공동 전송 조정 다중접속(JT-CoMP)을 적용하여 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)를 향상시킨다.
• 채널 추정 오차 항을 도입하여 불완전한 CSI와 SIC를 모델링하며, 사전에 알려진 분산을 가진다. 이는 실제 시스템 제약 조건을 반영하기 위함이다.
• 통계적 채널 모델과 지수 적분 함수(Ei)를 활용하여 에르고딕 합성용량(ESC)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, 전력 도메인 다중접속과 간섭 제거 기법을 통합한다.
• 채널 이득의 수학적 기대값과 확률 밀도 함수를 사용하여 각 하위대역에서 근거리 및 원거리 사용자의 정확한 에르고딕 속도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 JT-CoMP VP-NOMA 방식은 다셀 환경에서 기존 OMA, NOMA, VP-NOMA에 비해 에르고딕 합성용량(ESC)을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 사용자 위치(예: 근거리 사용자가 소속 기지국으로부터의 거리)는 JT-CoMP VP-NOMA의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 근거리 사용자와 원거리 사용자 간의 전력 배분이 제안된 시스템의 ESC에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 불완전한 채널 상태 정보(CSI)와 불완전한 순차적 간섭 제거(SIC)는 JT-CoMP VP-NOMA의 시스템 성능을 얼마나 떨어뜨리는가?
• RQ5 CSI 추정 오차와 SIC의 불완전성과 같은 실질적 시스템 손상 조건 하에서 ESC에 대한 폐쇄형 해석적 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 JT-CoMP VP-NOMA 방식은 모든 신호 대 잡음비(SNR) 수준에서 OMA, NOMA, VP-NOMA보다 유의미하게 높은 에르고딕 합성용량(ESC)을 달성한다.
• 근거리 사용자에게 더 높은 전력 할당이 이루어질수록 ESC가 증가함을 확인하였으며, 이는 전력 도메인 다중접속이 최적의 전력 분할에 의해 유리함을 입증한다.
• 근거리 사용자가 소속 기지국으로부터 더 멀리 떨어져 있을수록 간섭과 채널 감쇠가 증가하여 성능이 저하됨을 관찰하였다.
• 근거리 사용자와 원거리 사용자 간 거리가 클수록 ESC가 최적화됨을 확인하였으며, 이는 사용자 간 분리가 스펙트럼 효율성을 향상시킨다는 것을 시사한다.
• 지수 적분 함수(Ei)를 활용한 해석적 ESC 표현식이 시뮬레이션 결과와 매우 유사하게 일치함을 확인하였으며, 폐쇄형 해석의 정확성을 검증하였다.
• 불완전한 CSI와 SIC 조건 하에서도 시스템이 뛰어난 성능 유지를 보이며, 실질적 구현 제약 조건에 대한 강건성을 입증하였다.