[논문 리뷰] Multiple Access for 5G New Radio: Categorization, Evaluation, and Challenges

Hyunsoo Kim, Yeon Geun Lim외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 03. 27.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 5인용 수 24

한 줄 요약

이 논문은 5G 뉴 라디오(NR)를 위한 비직교 다중접속(NOMA) 방식을 제안하고 평가하며, MA-서명 유형—코드북, 시퀀스, 인터리버/스캐머 기반—에 따라 분류한다. 링크 수준 및 3차원 레이 트레이싱 기반 시스템 수준 시뮬레이션을 사용하여, 각 방식이 서로 다른 조건에서 고유한 성능 이점을 제공하는 것으로 밝혀졌다. 코드북 기반 NOMA는 고도의 오버로딩 상황에서 뛰어난 성능을 보이며, 시퀀스 기반 방식은 밀도가 높은 환경에서 커버리지와 용량을 향상시킨다.

ABSTRACT

Next generation wireless networks require massive uplink connections as well as high spectral efficiency. It is well known that, theoretically, it is not possible to achieve the sum capacity of multi-user communications with orthogonal multiple access. To meet the challenging requirements of next generation networks, researchers have explored non-orthogonal and overloaded transmission technologies-known as new radio multiple access (NR-MA) schemes-for fifth generation (5G) networks. In this article, we discuss the key features of the promising NR-MA schemes for the massive uplink connections. The candidate schemes of NR-MA can be characterized by multiple access signatures (MA-signatures), such as codebook, sequence, and interleaver/scrambler. At the receiver side, advanced multi-user detection (MUD) schemes are employed to extract each user's data from non-orthogonally superposed data according to MA-signatures. Through link-level simulations, we compare the performances of NR-MA candidates under the same conditions. We further evaluate the sum rate performances of the NR-MA schemes using a 3-dimensional (3D) ray tracing tool based system-level simulator by reflecting realistic environments. Lastly, we discuss the tips for system operations as well as call attention to the remaining technical challenges.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 막대한 업링크 연결 수와 높은 스펙트럼 효율성을 지원하기 위해 정규 다중접속(OMA)의 한계를 해결하기 위해.
• MA-서명 유형—코드북, 시퀀스, 인터리버/스캐머—기반으로 신규 라디오 다중접속(NR-MA) 방식을 분류하고 비교하기 위해.
• 링크 수준 및 시스템 수준 시뮬레이션을 통해 동일한 시스템 조건에서 NR-MA 후보 방식의 성능을 공정하게 평가하기 위해.
• 실제 도시 및 실내 환경에서의 NR-MA 방식의 최적 배치 시나리오와 운영 통찰을 규명하기 위해.
• 실제 NR-MA 구현을 위한 주요 기술적 과제, 예를 들어 자원 할당, 링크 적응, 채널 추정, 동기화 등을 부각시키기 위해.

제안 방법

• 주로 MA-서명 특성에 따라 NR-MA 방식을 코드북, 시퀀스, 또는 인터리버/스캐머 기반으로 분류하며, 각각 사용자별 신호 확산을 가능하게 한다.
• 고정된 파rameter(송신 전력, 자원 블록 수, 사용자 수, 채널 조건)를 갖는 링크 수준 시뮬레이션을 수행하여 다중 사용자 간 간섭에 대한 내성을 비교한다.
• 실제 도시 및 실내 환경에서의 통합 속도 성능을 평가하기 위해 3차원 레이 트레이싱 기반 시스템 수준 시뮬레이터를 활용한다.
• 수신단에서 MA-서명 특성에 기반한 슈퍼포지션 신호 복원을 위해 고급 다중 사용자 검출(MUD) 알고리즘을 적용한다.
• MUD 복원 한계를 보완하기 위해 강력한 전방 오류 정정(FEC) 코딩을 통합한다.
• 할당되지 않은 액세스 및 그룹 스케줄링를 포함한 동적 사용자 스케줄링 환경에서의 시스템 운영을 분석하여 실용적 구현 가능성을 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 코드북, 시퀀스, 인터리버/스캐머 기반의 서로 다른 MA-서명 유형이 오버로딩된 업링크 환경에서 NR-MA 방식의 성능과 간섭 내성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 3차원 레이 트레이싱으로 모델링된 실제 도시 및 실내 환경에서 NR-MA 방식의 상대적 통합 속도 성능는 어떠한가?
• RQ3 고도의 사용자 오버로딩, 커버리지 향상 또는 간섭 제한 환경에 가장 적합한 NR-MA 방식은 무엇인가?
• RQ4 NR-MA 시스템에서 막대한 연결 수를 지원하기 위한 자원 및 MA-서명 유형 할당의 주요 과제는 무엇인가?
• RQ5 링크 적응, 채널 추정, 동기화가 실질적인 NR-MA의 구현 가능성과 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 코드북 기반 MA 방식은 효과적인 신호 확산과 간섭에 대한 강건성 덕분에 고도의 오버로딩 상황에서 뛰어난 성능을 달성한다.
• 시퀀스 기반 MA 방식은 커버리지와 스펙트럼 효율성을 향상시켜, 활성 링크가 많은 고밀도 도시 환경에 이상적이다.
• 인터리버/스캐머 기반 MA 방식은 간섭 다양성 증가와 간섭 평균화 기능 덕분에 고밀도 트래픽 부하가 발생하는 간섭 제한 환경에 적합하다.
• 링크 수준 시뮬레이션 결과, MA-서명 특성과 MUD 알고리즘 설계가 다중 사용자 간섭 내성 수준에 중대한 영향을 미친다.
• 3차원 레이 트레이싱 기반 시스템 수준 시뮬레이션은 NR-MA 방식이 실제 전파 환경에서 실현 가능하며 높은 잠재력을 지닌다는 것을 확인했으며, OMA 대비 측정 가능한 통합 속도 향상이 있다.
• 본 연구는 다음과 같은 핵심 과제를 규명했다: 효율적인 자원 및 MA-서명 유형 할당, 동적 링크 적응, 비직교 피LOT을 사용한 정확한 채널 추정, 시간 오프셋 하에서의 강력한 동기화.