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5G 시스템에서의 비-직교 다중 액세스(NOMA)
On Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) in 5G Systems 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.40 no.12, 2015년, pp.2549 - 2558  

리아즈 (Inha Univ. UWB Wireless Communications Research Center) ,  김재명 (Inha University) ,  곽경섭 (Inha Hanlim Fellow)

초록
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NOMA는 차세대 유망한 무선 접속 기술 중 하나다. 중첩코딩(SC: superposition coding) 기술을 활용한 송신부와 순차적 간섭 제거(SIC: successive interference cancellation) 기술을 탑재한 수신부를 갖춘 NOMA는 다수의 바람직한 특징을 가지고 있으며, 기존의 LTE에서 채택하고 있는 직교 다중 접속(OMA) 방식인 직교 주파수 분할 다중(OFDMA)기술에 비해 장점을 가지고 있다. 본 논문에서는 5G 시스템에서의 NOMA에 관한 최근의 연구 동향을 분석하였다. 먼저, NOMA의 기본 개념을 논하고 장래 무선 기술 분야에서의 그 중요성을 진단하였다. 다음은, 5G 시스템에서의 NOMA에 대한 가장 최근의 주요 기술들을 분석하고, 다양한 항목별로 분류하여 제시하였다. 마지막으로 NOMA의 성능을 수치해석 결과를 통해 분석하고; NOMA의 현안과 난제에 기반하여 향후 해결해야 할 이슈들을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the fledging paradigms which next generation radio access technologies are sprouting toward. The NOMA with superposition coding (SC) in the transmitter and successive interference cancellation (SIC) at the receiver comes with many desirable feature...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 고속 가시광 통신 시스템 (VLC: visible light communication)의 처리량을 향상시키기 위해 NOMA를 적용하는 연구를 수행하였으며, 이 연구에서는 NOMA가 VLC 네트워크 하향링크에서도 높은 개선된 용량을 얻을 수 있다는 것을 보여준다[14]. 이미 존재하는 채널과 간섭을 일으키는 채널(interfering channel)을 결합함으로써 통신 채널의 용량을 향상시키고자 NOMA 기술에 랩터 코드(raptor codes)를 설계하였다[15].
  • 하지만, 5G에서의 NOMA기술은 여전히 초창기에 머물러 있는 단계이기 때문에, 5G 시스템에서의 NOMA 기술에 대한 현재까지의 연구 현황을 총체적으로 파악하는 일은 이 분야에 대한 더많은 연구를 이끌어내기 위해 무척 중요하다. 본 논문에서 가장 최근의 NOMA 연구 경향을 살펴보고 NOMA가 무선 접속 기술의 변화를 이끌기 위해 앞으로 해결되어야 할 다양한 문제점들을 조사한다. 본 논문은 다음과 같은 관점에서 NOMA을 연구하고 분석 하였다.
  • 또한 NOMA는 이기종 네트워크 환경에서도 보다 깊이 있는 연구가 있어야 한다. 본 논문은 NOMA의 기존 연구에 대한 근간 기술을 논의하고 우수성을 수치적 결과를 통하여 제시하고 있으며 향후 가능한 연구 방향을 제시하였다.
  • 본 논문에서 가장 최근의 NOMA 연구 경향을 살펴보고 NOMA가 무선 접속 기술의 변화를 이끌기 위해 앞으로 해결되어야 할 다양한 문제점들을 조사한다. 본 논문은 다음과 같은 관점에서 NOMA을 연구하고 분석 하였다.
  • 이 절에서 현존하는 NOMA 연구 사례 및 결과를 항목별로 분류하여 간략하게 제시한다. 본 논문의 주요 목적이 5G NOMA 시스템에 대한 최근의 연구 경향을 이해하는 것이기 때문에 각 기술에 대한 자세한 수학적인 분석은 생략하였다.
  • 간섭 분석이라는 용어는 무선 통신 분야에서 일반적으로 쓰이고 있지만, 여기서는 [7]에서 제안한 협조적 NOMA 방식에 중점을 두고 있다. 이 논문은 협조 단계에서 블루투스와 같은 근거리 통신 방식을 제안하고 있다. 하지만 셀룰러 통신에서 블루투스 무선 통신을 사용할 경우 이미 존재하고 있는 무선 개인 통신망 (WPAN)으로부터 심각한 간섭을 받을 확률이 크다.
  • 이 논문을 통해 5G 시스템에서의 NOMA 연구 현황을 분석하고, 해석적 결과 비교를 통하여 NOMA의 성능을 논의하였다. 그 결과 NOMA가 차세대 다중 접속 기술의 유망한 후보자임이 확인하었다.
  • 이러한 연구 배경과 더불어 앞으로 해결되어야 할 과제와 문제점들이 상존한다. 이 절에서는, NOMA를 보다 넓은 범위에서 추진되어야 할 몇 가지 가능한 연구 방향을 제시 한다.
  • 참고문헌 [6]에서는 단일 사용자-다중입출력(single user-MIMO)의 상황에서 행렬의 계수 최적화(rank optimization)가 NOMA의 성능에 주는 영향을 집중적으로 분석하고 있다. 이를 통해 SU-MIMO 기술과 결합한 NOMA가 채널 행렬의 계수(rank)를 조절함으로써 어떻게 시스템 성능을 보다 향상 시킬 수 있는지 보여주고 있다.

가설 설정

  • 모바일 사용자의 불규칙적인 공간 분포는 NOMA의 성능에도 영향을 미칠 것이다. 따라서 이기종 네트워크에서 사용자 분포에 따른 NOMA의 아웃티지 성능, 에르고딕 용량, 사용자 공정성을 연구하는 것은 무척 가치 있는 연구가 될 것이다.
  • 사용자의 분포는 무작위이며 N = 2, L = 10, α = 2, RD = 3m로 설정하였다. 사용자들은 네트워크상에 균일하게 분포되어 있다고 가정한다. 목표 데이터 율을 약한 사용자는 채널당 0.
  • 사용자의 분포는 무작위이며 N = 2, L = 10, α = 2, RD = 3m로 설정하였다.
  • 이때 기지국이 정보를 송출하는 전체 전력은 일정하며 이를 P라 한다. 이때 무선 링크는 독립적이며 동일한 분포(independently, identically distributed)를 가지며, 이 분포는 레일리 페이딩(Rayleigh fading) 신호와 부가 백색 가우스 잡음(AWGN)이라 가정한다. 채널은 0 < |h1|2 ≤ |h2|2 ≤⋯≤ |hi|2… ≤ |hN|2 의 순차적 크기로 가정하며, 이는 매 순간 사용자 Ui가 i번째로 열악한 채널을 차지하게 됨을 의미한다.
  • 그림에서 알 수 있듯이, NOMA-BF는 합산 용량을 증가시킨다. 이때, 사용자들은 반경 500m 범위 안에서 무작위로 균일 분포되어 있다고 가정하였다. NOMA-BF는 기존의 다중사용자 빔 포밍에 비교하여 합산 용량 측면에서 우수하다.
  • 채널은 0 < |h1|2 ≤ |h2|2 ≤⋯≤ |hi|2… ≤ |hN|2 의 순차적 크기로 가정하며, 이는 매 순간 사용자 Ui가 i번째로 열악한 채널을 차지하게 됨을 의미한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NOMA란? NOMA는 차세대 유망한 무선 접속 기술 중 하나다. 중첩코딩(SC: superposition coding) 기술을 활용한 송신부와 순차적 간섭 제거(SIC: successive interference cancellation) 기술을 탑재한 수신부를 갖춘 NOMA는 다수의 바람직한 특징을 가지고 있으며, 기존의 LTE에서 채택하고 있는 직교 다중 접속(OMA) 방식인 직교 주파수 분할 다중(OFDMA)기술에 비해 장점을 가지고 있다.
셀룰러 네트워크의 시스템 성능을 향상시키는 가장 중요한 요소 중 보통 직교 방식과 비-직교 방식의 두 가지 유형으로 분류되는 기술은? 셀룰러 네트워크의 시스템 성능을 향상시키는 가장 중요한 요소는 일반적으로 무선 접속 기술의 설계이며, 그 중에서도 특히 다중 접속 기술이다. 다중 접속 기술은 보통 직교 방식과 비-직교 방식의 두 가지 유형으로 분류된다[1].
셀룰러 네트워크의 시스템 성능을 향상시키는 가장 중요한 요소는? 셀룰러 네트워크의 시스템 성능을 향상시키는 가장 중요한 요소는 일반적으로 무선 접속 기술의 설계이며, 그 중에서도 특히 다중 접속 기술이다. 다중 접속 기술은 보통 직교 방식과 비-직교 방식의 두 가지 유형으로 분류된다[1].
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참고문헌 (23)

  1. P. Wang, J. Xiao, and L. Ping, "Comparison of orthogonal and non-orthogonal approaches to future wireless cellular systems," IEEE Veh. Technol. Mag., vol. 1, no. 3, pp. 4-11, Sept. 2006. 

  2. A. Benjebbour, Y. Saito, Y. Kishiyama, L. Anxin, A. Harada, and T. Nakamura, "Concept and practical considerations of non-orthogonal multiple access (NOMA) for future radio access," ISPACS, pp. 770-774, Nov. 2013. 

  3. D. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge University Press, 2005. 

  4. K. Higuchi and A. Benjebbour, "Non-orthogonal multiple access (NOMA) with successive interference cancellation," IEICE Trans. Commun., vol. E98-B, no. 3, pp. 403-414, Mar. 2015. 

  5. Z. Ding, Z. Yang, P. Fan, and H. V. Poor, "On the Performance of non-orthogonal multiple access in 5G systems with randomly deployed users," IEEE Signal Process. Lett., vol. 21, no. 12, pp. 1501-1505, Dec. 2014. 

  6. C. Xiaohang, A. Benjebbour, L. Yang, L. Anxin, and J. Huiling, "Impact of rank optimization on downlink non-orthogonal multiple access (NOMA) with SU-MIMO," IEEE ICCS, pp. 233-237, Nov. 2014. 

  7. Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems," IEEE Commun. Lett., vol. 19, no. 8, pp. 1462-1465, Aug. 2015. 

  8. Y. Hayashi, Y. Kishiyama, and K. Higuchi, "Investigations on power allocation among beams in non-orthogonal access with random beamforming and intra-beam SIC for cellular MIMO downlink," in Proc. IEEE Veh. Technol. Conf., Las Vegas, NV, USA, Sept. 2013. 

  9. B. Kim, S. Lim, H. Kim, S. Suh, J. Kwun, S. Choi, C. Lee, S. Lee, and D. Hong, "Nonorthogonal multiple access in a downlink multiuser beamforming system," in Proc. IEEE Military Commun. Conf., San Diego, CA, USA, Nov. 2013. 

  10. S. Timotheou and I. Krikidis, "Fairness for non-orthogonal multiple access in 5G systems," IEEE Signal Process. Lett., vol. 22, no. 10, pp. 1647-1651, Oct. 2015. 

  11. J. Choi, "Non-orthogonal multiple access in downlink coordinated two-point systems," IEEE Commun. Lett., vol. 18, no. 2, pp. 313-316, Feb. 2014. 

  12. S. Vanka, S. Srinivasa, Z. Gong, P. Vizi, K. Stamatiou, and M. Haenggi, "Superposition coding strategies: Design and experimental evaluation," IEEE Trans. Wirel. Commun., vol. 11, no. 7, pp. 2628-2639, 2012. 

  13. S. Alamouti, "A simple transmit diversity technique for wireless communications," IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 16, no. 8, pp. 1451-1458, 1998. 

  14. H. Marshoud, V. M. Kapinas, G. K. Karagiannidis, and S. Muhaidat, "Nonorthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technol. Lett., Submitted, Jul. 2015. 

  15. M. J. Hagh and M. R. Soleymani, "Raptor coding for non-orthogonal multiple access channels," IEEE ICC, pp. 1-6, Jun. 2011. 

  16. S. Park and D. Cho, "Random linear network coding based on non-orthogonal multiple access in wireless networks," IEEE Commun. Lett., vol. 19, no. 7, pp. 1273-1276, Jul. 2015. 

  17. S. Choudhury and J. D. Gibson, "Information transmission over fading channels," IEEE GLOBECOM, pp. 3316-3321, Nov. 2007. 

  18. T. S. Rappaport, S. Shu, R. Mayzus, Z. Hang, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, and F. Gutierrez, "Millimeter wave mobile communications for 5G cellular: It will work!," IEEE Access, vol. 1, pp. 335- 349, 2013. 

  19. S. Rangan, T. S. Rappaport, and E. Erkip, "Millimeter-wave cellular wireless networks: potentials and challenges," in Proc. IEEE, vol. 102, no. 3, pp. 366-385, Mar. 2014. 

  20. S. Sen, N. Santhapuri, R. R. Choudhury, and S. Nelakuditi, "Successive interference cancellation: a back-of-the-envelope perspective," in Proc. 9th ACM SIGCOMM Workshop on Hot Topics in Networks, pp. 1-6, Oct. 2010. 

  21. N. I. Miridakis and D. D. Vergados, "A survey on the successive interference cancellation performance for single-antenna and multiple-antenna OFDM systems," IEEE Commun. Surveys & Tuts., vol. 15, no. 1, pp. 312-335, Feb. 2013. 

  22. L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, and C.-L. I, and Z. Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," IEEE Commun. Mag., vol. 53, no. 9, pp. 74- 81, Sept. 2015. 

  23. Q. Sun, S. Han, C.-L. I, and Z. Pan, "On the ergodic capacity of MIMO NOMA systems," IEEE Wirel. Commun. Lett., vol. 4, no. 4, pp. 405-408, Aug. 2015. 

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