[논문 리뷰] Use of Non-Orthogonal Multiple Access in Dual-hop relaying

Wei Duan, Miaowen Wen외 3명|arXiv (Cornell University)|2016. 04. 05.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 8인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 이중호프 비직교 다중접근(NOMA) 리레이징 시스템에서 소스 및 리레이가 최적화된 전력 분할을 적용한 중첩 전송 인코딩을 사용하는 이단계 전력 할당 방식을 제안한다. 수신단에서 최대비율 복합(MRC)을 조합하고 고신호대역비(SNR)에서 폐쇄형 에르고딕 합산율(SR) 표현식을 유도함으로써, 기존의 NOMA 리레이징 방법에 비해 상당한 SR 향상을 달성하며, 부분 최적 전력 할당이 고SNR에서 최적 성능에 매우 가까이 부합한다.

ABSTRACT

To improve the sum-rate (SR) of the dual-hop relay system, a novel two-stage power allocation scheme with non-orthogonal multiple access (NOMA) is proposed. In this scheme, after the reception of the superposition coded symbol with a power allocation from the source, the relay node forwards a new superposition coded symbol with another power allocation to the destination. By employing the maximum ratio combination (MRC), the destination jointly decodes the information symbols from the source and the relay. Assuming Rayleigh fading channels, closed-form solution of the ergodic SR at high signal-to-noise ratio (SNR) is derived and a practical power allocation is also designed for the proposed NOMA scheme. Through numerical results, it is shown that the performance of the proposed scheme is significantly improved compared with the existing work.

연구 동기 및 목표

• 나쁜 소스-수신단 링크로 인해 열악한 성능을 보이는 이중호프 협동 리레이 시스템(CRS)의 에르고딕 합산율(SR) 향상
• 기존의 NOMA 기반 CRS의 성능 한계를 해결하기 위해 소스 및 리레이에서 이단계 전력 할당 전략을 도입함
• 제안된 NOMA-CRS 시스템의 고SNR에서 폐쇄형 에르고딕 SR 표현식 유도
• 고SNR에서 최적 성능에 매우 가까운 실용적인 부분 최적 전력 할당 전략 설계

제안 방법

• 첫 번째 타임슬롯에서 소스는 전력 할당 계수 $a_1$ 및 $a_2$를 사용해 리레이와 수신단에 모두 중첩 전송 신호를 전송한다.
• 두 번째 타임슬롯에서 리레이가 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 통해 두 사용자 신호를 디코딩하고, 계수 $a_3$ 및 $a_4$를 사용해 새로운 중첩 전송 신호를 재인코딩하여 전송한다.
• 수신단은 소스 및 리레이의 신호를 최대비율 복합(MRC)을 사용해 조합하여 두 사용자 신호를 동시에 디코딩한다.
• Rayleigh fading을 가정하고 통계적 채널 상태 정보(CSI)를 사용하여 고SNR에서 폐쇄형 에르고딕 SR 표현식을 유도한다.
• 에르고딕 SR 표현식의 $a_1$ 및 $a_3$에 대한 도함수를 풀어 부분 최적 이단계 전력 할당 전략을 설계한다.
• 다양한 채널 이득 설정에서 20,000개의 채널 실현값을 사용한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 분석을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 제안된 이단계 전력 할당이 기존의 CRS-NOMA에 비해 NOMA 기반 이중호프 리레이징에서 에르고딕 합산율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 제안된 NOMA-CRS의 고SNR에서 에르고딕 합산율의 폐쇄형 표현식은 무엇인가?
• RQ3 제안된 부분 최적 전력 할당의 성능은 최적 솔루션에 얼마나 가까운가, 특히 고SNR에서 어떻게 되는가?
• RQ4 어떤 채널 조건(예: $\alpha_{SR} > \alpha_{RD}$)에서 제안된 방식이 가장 큰 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 방식은 [4]의 CRS-NOMA 방식보다 상당히 높은 에르고딕 합산율을 달성하며, 특히 0–20 dB SNR 범위에서 두드러진 성능 향상을 보인다.
• 식 (25)에서 유도된 이론적 에르고딕 SR 표현식은 시뮬레이션 결과와 매우 유사하여 이론 모델의 타당성을 검증한다.
• 식 (27) 및 (28)로부터 유도된 부분 최적 전력 할당 전략은 고SNR에서 최적 솔루션을 매우 잘 따라가며 실용적 유용성을 확인한다.
• 채널 조건 $\alpha_{SR} > \alpha_{RD}$에서 성능 향상이 가장 두드러지며, 유리한 리레이 채널 조건에서 다양도 이득이 향상됨을 시사한다.
• 고SNR에서 제안된 방식과 CRS-NOMA는 모두 동일한 다양도 이득 $\frac{1}{2}\log_2 \rho$로 수렴함으로써 점근적 최적성을 확인한다.