[논문 리뷰] OTFS-NOMA: An Efficient Approach for Exploiting Heterogenous User Mobility Profiles

Zhiguo Ding, Robert Schober외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 04.

PAPR reduction in OFDM인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 고속 이동성과 저속 이동성 사용자를 동시에 지원하기 위해 정규직각 시간-주파수 공간(OTFS) 변조와 비정규직각 다중접속(NOMA)을 공동으로 활용하는 새로운 다중접속 방식인 OTFS-NOMA를 제안한다. 고속 이동성 사용자를 지연-도플러 도메인에 할당하고 저속 이동성 사용자를 시간-주파수 도메인에 할당함으로써, 스펙트럼 효율성을 향상시키고, 향상된 OTFS 해상도를 통해 검출 신뢰성을 높이며, 다중 경로 및 다중 사용자 다양성을 실현하여 업링크 및 다운링크 전송에서 양 사용자 유형 모두에게 유리한 성능을 제공한다.

ABSTRACT

This paper considers a challenging communication scenario, in which users have heterogenous mobility profiles, e.g., some users are moving at high speeds and some users are static. A new non-orthogonal multiple-access (NOMA) transmission protocol that incorporates orthogonal time frequency space (OTFS) modulation is proposed. Thereby, users with different mobility profiles are grouped together for the implementation of NOMA. The proposed OTFS-NOMA protocol is shown to be applicable to both uplink and downlink transmission, where sophisticated transmit and receive strategies are developed to remove inter-symbol interference and harvest both multi-path and multi-user diversity. Analytical results demonstrate that both the high-mobility and low-mobility users benefit from the application of OTFS-NOMA. In particular, the use of NOMA allows the spreading of the high-mobility users' signals over a large amount of time-frequency resources, which enhances the OTFS resolution and improves the detection reliability. In addition, OTFS-NOMA ensures that low-mobility users have access to bandwidth resources which in conventional OTFS-orthogonal multiple access (OTFS-NOMA) would be solely occupied by the high-mobility users. Thus, OTFS-NOMA improves the spectral efficiency and reduces latency.

연구 동기 및 목표

• 단일 무선 액세스 프레임 내에서 고속 이동성 및 정적 사용자 유형을 모두 지원하는 데 도전하는 문제를 해결하기 위해.
• 고속 이동성 사용자가 해상도 요구 사항으로 인해 시간-주파수 자원을 독점하는 전통적인 OTFS-OMA의 스펙트럼 비효율성 문제를 해결하기 위해.
• 지연-도플러 도메인과 시간-주파수 도메인 다중화를 활용하여 OTFS에서 NOMA를 실현하는 통합 전송 프로토콜을 개발하기 위해.
• 이중으로 분산된 채널에서 다중 경로 및 다중 사용자 다양성을 활용하여 신뢰성과 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 심호 간섭 및 다중접속 간섭을 억제하기 위한 전송 및 수신 전략(예: 주파수 도메인 등화기)을 설계하기 위해.

제안 방법

• 제안된 OTFS-NOMA 프로토콜은 OTFS 변조를 사용하여 고속 이동성 사용자를 지연-도플러 도메인에 그룹화하고, 저속 이동성 사용자는 OFDM 유사 신호를 사용하여 시간-주파수 도메인에서 서비스한다.
• 하이브리드 다중접속 전략을 구현한다: 고속 이동성 사용자는 전력 도메인 NOMA를 통해 지연-도플러 도메인에서 다중접속되며, 저속 이동성 사용자는 시간-주파수 도메인에서 다중접속된다.
• 지연-도플러 도메인의 심호 간섭을 완화하기 위해 고도로 발전된 등화 기법—주파수 도메인 제로포지션 선형 등화기(FD-LE) 및 의사결정 피드백 등화기(FD-DFE)—을 설계한다.
• 업링크 및 다운링크 모두에서 다중접속 간섭 억제 및 아웃리지 성능 향상을 위해 전력 및 데이터율 할당 정책을 최적화한다.
• 지연-도플러 도메인에서 채널 터널의 흐문성 특성을 활용하여 다중 경로 다양성을 실현하고, 사용자 간 채널 이득의 차이를 활용하여 다중 사용자 다양성을 실현한다.
• 복소수 정규분포 근사법을 사용하여 효과적 채널 이득의 분석 모델을 유도하며, 벡터화 및 크로네커乘법 항등식을 통해 경계를 설정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 OTFS-NOMA는 스펙트럼 효율성을 희생시키지 않고 단일 전송 프레임 내에서 고속 이동성 및 저속 이동성 사용자를 효과적으로 지원할 수 있는가?
• RQ2 기존의 OTFS-OMA와 비교해 OTFS에 NOMA를 통합하면 고속 이동성 사용자의 검출 신뢰성이 어떻게 향상되는가?
• RQ3 NOMA를 통해 고속 이동성 사용자 신호를 시간-주파수 자원에 걸쳐 퍼뜨리는 것이 OTFS 해상도와 채널 추정 정확도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 이중 선택성 fading 조건 하에서 주파수 도메인 등화기(FD-LE 및 FD-DFE)는 지연-도플러 도메인에서 심호 간섭을 어떻게 완화하는가?
• RQ5 혼합 이동성 환경에서 OTFS-NOMA의 다양성 이득과 아웃리지 성능은 어떻게 되며, 기존의 NOMA나 OTFS-OMA와 비교해 어떤가?

주요 결과

• 제안된 OTFS-NOMA 방식은 아웃리지 확률의 상한 및 하한 경계가 모두 1/ρ 비례로 변화하므로, 다양성 차수 1을 확보하여 완전한 다양성 이득을 얻는다.
• 고속 이동성 사용자는 NOMA를 통해 시간-주파수 자원에 걸쳐 신호가 퍼지므로 향상된 OTFS 해상도를 얻어 검출 신뢰성이 향상된다.
• 저속 이동성 사용자는 OTFS-OMA에서 고속 이동성 사용자에게 독점되던 대역폭 자원에 접근할 수 있게 되어 스펙트럼 효율성이 향상된다.
• NOMA의 활용 덕분에 고속 이동성 사용자는 전용 시간-주파수 자원이 필요 없이 안정적인 통신을 유지할 수 있어 지연 감소 및 시스템 공정성 향상에 기여한다.
• 유도된 아웃리지 확률 경계는 신호 대 잡음비(SNR)에 따라 유리하게 스케일링되며, 상한 및 하한 경계 모두 동일한 다양성 차수를 보인다.
• 블록 순환 구조로 인해 지연-도플러 채널 이득 간 상관관계가 발생하나, 분석 과정에서 이를 고려하였으며, 모든 서브캐리어 및 심호에 대해 유니언 바운드를 사용하여 아웃리지 확률의 상한을 설정하였다.