[논문 리뷰] Large-Scale NOMA: Promises for Massive Machine-Type Communication

Ekram Hossain, Yasser Al-Eryani|arXiv (Cornell University)|2019. 01. 21.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 4인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 대규모 기계간 통신(mMTC)을 위한 대규모 NOMA를 가능하게 하기 위해 다중 기지국 간 협업을 활용한 협동형 NOMA 프레임워크를 제안한다. 공유 다중점(Composed Multipoint, CoMP) 전송을 통해 신호 전력과 다양성 이득을 향상시켜 상호 NOMA 간섭과 SIC 복잡도를 감소시켜, 높은 사용자 밀도에서 신뢰할 수 있는 연결성을 실현하고 스펙트럼 및 전력 효율성을 향상시킨다.

ABSTRACT

We investigate on large-scale deployment of non-orthogonal multiple access (NOMA) for improved spectral and power efficiency in cellular networks to provide massive wireless connectivity (e.g. for machine-type communication [mMTC]). First, we describe the basics of single-antenna NOMA technology and its extension to co-located multiple-antenna NOMA as well as coordinated multipoint transmission (CoMP)-enabled NOMA technologies. Then we discuss some of the practical challenges of large-scale deployment of NOMA such as the inter-NOMA-interference (INI), inter-cell interference, and hardware implementation complexity. To this end, we present one key enabling technique to overcome the challenges of large-scale deployment of NOMA. Generally speaking, for a feasible large-scale NOMA implementation, sophisticated diversity enhancing techniques can be used to compensate for the degradation in coding gain and to decrease the complexity resulting from excessive INI and increased level of required successive interference cancellation (SIC). Furthermore, to massively extend NOMA over the network coverage area, NOMA transmitters have to cooperate in a generalized manner to serve all nearby users simultaneously.

연구 동기 및 목표

• 기존 NOMA가 대규모 기계간 통신(mMTC) 네트워크에서 가지는 확장성 한계를 해결하기 위해.
• 큰 NOMA 클러스터에서 높은 상호 NOMA 간섭(INI)과 이웃 셀 간섭(IC)을 완화하기 위해.
• 대규모 NOMA 시스템에서 연속 간섭 제거(SIC)의 하드웨어 복잡도를 감소시키기 위해.
• 고도의 다양성 향상 기법을 통해 실현 가능한 대규모 인바운드 NOMA 클러스터 배치를 가능하게 하기 위해.
• 제한된 스펙트럼 자원과 높은 사용자 밀도 조건 하에서 시스템 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해.

제안 방법

• 단일 대규모 NOMA 클러스터에 대해 다수의 기지국(BS)이 공동으로 신호를 전송하는 협동형 NOMA 기법을 제안한다.
• CoMP 전송을 통해 각 NOMA 수신기에서의 목적 신호 전력 강도를 향상시켜 목적 신호와 간섭 신호 간의 전력 간격을 증대시킨다.
• 다중 안테나 및 협업 전송을 활용해 수신기 감도를 향상시키고 낮은 신호 대 간섭비(SINR)의 영향을 최소화한다.
• 협업 beamforming과 전력 할당을 통해 이웃 셀 간섭(IC)을 최소화하는 네트워크 계획 전략을 도입한다.
• 다수의 송신기로부터의 다양성 이득을 활용해 코딩 이득을 향상시키고 SIC 복잡도를 감소시킨다.
• 각 사용자의 수신 신호가 다수의 협업 기지국으로부터 기여를 받는 신호 모델을 활용하여 신뢰성과 성능을 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 고밀도 사용자 조건에서 대규모 NOMA 클러스터에서 상호 NOMA 간섭(INI)을 효과적으로 완화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 공유 다중점(CoMP) 전송이 대규모 NOMA에서 신호 강도 향상과 SIC 복잡도 감소에 어떤 역할을 하는가?
• RQ3 협업 기지국의 수를 늘일 경우 대규모 NOMA에서 시스템의 다양성 이득과 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 대규모 기계간 통신(mMTC)을 지원하기 위해 NOMA를 확장할 때의 주요 하드웨어 및 신호 처리 과제는 무엇인가?
• RQ5 MIMO 및 CoMP와 같은 다양성 향상 기법이 대규모 NOMA 클러스터에서 발생하는 코딩 이득 저하를 보완할 수 있는가?

주요 결과

• 다수의 협업 기지국을 활용한 협동형 NOMA는 시뮬레이션 결과에서 더 급격한 성능 곡선을 통해 시스템 다양성 이득이 크게 향상됨을 입증한다.
• 협업 전송기 수(K)를 늘일수록 고밀도 사용자 조건에서도 높은 스펙트럼 효율성을 유지할 수 있는 능력이 향상된다.
• 공동 전송을 통해 목적 신호 전력을 증가시켜 각 NOMA 수신기에서의 효과적 간섭 수준을 감소시킨다.
• CoMP 기반 NOMA를 적용함으로써 신호 간 전력 간격이 작을 경우 발생하는 악영향을 완화하고 대규모 클러스터에서 SIC 신뢰성을 향상시킨다.
• 시뮬레이션 결과, 수신기 수(M)가 크더라도 다양성 향상과 INI 감소 덕분에 성능이 뛰어나게 유지됨을 확인했다.
• 스펙트럼 효율성, 전력 효율성, 하드웨어 복잡도를 균형 있게 조절함으로써 실현 가능한 대규모 NOMA 배치를 가능하게 한다.