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[국내논문] 상황인지 사용자 릴레이를 채택한 협동 NOMA 시스템의 성능
Performance of Cooperative NOMA Systems with Cognitive User Relay 원문보기

The journal of the institute of internet, broadcasting and communication : JIIBC, v.18 no.5, 2018년, pp.69 - 75  

김남수 (청주대학교 전자공학과)

초록
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최근 제한된 스펙트럼 대역을 더욱 효율적으로 사용할 수 있는 비직교 다중화 (Non-orthogonal multiple access)방식이 차세대 이동통신 다중화 방식으로 주목받고 있다. 한편 스펙트럼 효율은 상황인지 무선통신으로도 높일 수 있는데, 상황인지 무선통신 방식은 비허가 사용자가 허가사용자에게 제한된 간섭을 주는 조건으로 동일한 스펙트럼을 이용할 수 있기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 NOMA 시스템과 상황인지 방식을 결합하였을 때 상황인지 협동 NOMA 시스템의 성능을 분석하였다. 협동 통신을 위한 릴레이는 근거리 사용자 중에서 선택하였으며, 원거리 사용자는 선택결합을 가정하였다. 릴레이 및 원거리 사용자의 오수신율을 closed-form으로 유도하였으며, 수치적인 결과는 Monte Carlo 시뮬레이션 결과와 잘 일치하였다. 수치적인 해석결과 릴레이의 오수신율은 전력할당 계수에 따라서 영향을 받았으며, 주어진 조건에서 원거리 사용자의 전력할당계수가 0.86인 경우 오수신율이 가장 낮았다. 원거리 사용자의 오수신율은 주어진 상황 하에서 주파수 획득확률이 1인 경우에 비하여 0.5인 경우 $1{\times}10^{-13}$의 오수신율을 유지하기 위하여 15 dB 이상의 신호 대 잡음비가 더 필요하였다. 따라서 상황인지 릴레이의 주파수 획득확률에 따라서 원거리 사용자의 성능이 현저히 영향을 받음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, Non-orthogonal multiple access (NOMA) has been focused for the next generation multiple access, which has more spectral efficiency under the limited spectrum bandwidth. Moreover, the spectrum efficiency can be improved by cognitive radio in which the unlicensed secondary users can access t...

Keyword

#Cognitive radio   #cooperative NOMA   #user relay   #selection combining  

표/그림 (4)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 협동 NOMA 시스템에 상황인지 릴레이를 적용하였을 때 시스템의 성능 변화를 분석하였다. 상황인지 릴레이는 근거리 사용자 중에서 선택하고, 원거리 사용자는 성능 향상을 위하여 선택 결합을 적용한 NOMA 시스템을 분석 모델로 가정하였다.
  • 본 논문은 제2장에서 본 논문에서 고려하고자 하는 상황인지 릴레이 협동 NOMA 시스템 모델을 서술하고, 릴레이 선택법에 관하여 서술하였다. 제3장에서는 선택된 상황인지 릴레이 및 원거리 사용자의 오수신율을 각각 closed-form으로 유도하였다.

가설 설정

  • 그러므로 1개의 기지국(s)과 N 개의 클러스터, 그리고 원거리 사용자(D)로 이루어진 모델을 가정한다.
  • 따라서 본 논문에서는 협동 NOMA 시스템에 상황인지 릴레이를 적용하였을 때 시스템의 성능 변화를 분석하였다. 상황인지 릴레이는 근거리 사용자 중에서 선택하고, 원거리 사용자는 성능 향상을 위하여 선택 결합을 적용한 NOMA 시스템을 분석 모델로 가정하였다. 그리고 선택된 릴레이와 원거리 사용자의 오수신율을 각각 해석적인 방법으로 유도하였으며, 유도한 결과는 Monte Carlo 시뮬레이션 결과와 비교하여 유도한 결과를 입증하였다.
  • 그러므로 1개의 기지국(s)과 N 개의 클러스터, 그리고 원거리 사용자(D)로 이루어진 모델을 가정한다. 여 기서 클러스터는 우선 사용자, 릴레이, 인접 릴레이로 구성되어 있다고 가정한다. 그림1(a)는 기지국이 NOMA 시스템에 송신하고 모든 클러스터 및 목적지는 수신하는 것을 나타내고 있다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
NOMA 시스템은 어떠한 신호로부터 간섭을 제거하는가? 더욱 최근에는 NOMA 시스템에서 원거리 사용자의 성능을 더욱 개선하기 위하여 릴레이를 사용하는 협동 NOMA 시스템에 관한 연구가 활성화되고 있다[4]-[7]. NOMA 시스템에서는 독특하게 근거리 사용자가 자신의 정보를 복조하기 전에 수신된 신호로부터 간섭을 제거하는데, 이때 연속간섭제거(Successive interference cancellation, SIC)를 사용한다. 그런데 SIC 처리하는 과정에서 원거리 사용자의 정보를 복조하게 되며, 근거리 사용자가 이 복조된 정보를 원거리 사용자에게 릴레이 할 수 있다.
NOMA 시스템은 어떠한 특징을 갖는가? 이러한 요구를 만족시키기 위하여 차세대 이동통신 다중화방식으로 비직교 다중화 (Non-orthogonal multiple access, NOMA) 방식이 등장하게 되었다[1]-[3]. NOMA 시스템은 여러 명의 사용자를 동일한 주파수와 시간에 동시에 전송하기 때문에 OMA 시스템에 비하여 스펙트럼 효율이 매우 높은 특징을 갖는다.
연속간섭제거 처리 과정에서, 사용자의 정보를 어떻게 처리하는가? NOMA 시스템에서는 독특하게 근거리 사용자가 자신의 정보를 복조하기 전에 수신된 신호로부터 간섭을 제거하는데, 이때 연속간섭제거(Successive interference cancellation, SIC)를 사용한다. 그런데 SIC 처리하는 과정에서 원거리 사용자의 정보를 복조하게 되며, 근거리 사용자가 이 복조된 정보를 원거리 사용자에게 릴레이 할 수 있다. 이 방식을 사용자 릴레이 방식이라고 하는데, Ad-Hoc 네트워크같이 일시적인 네트워크를 구성할 때 매우 간편한 방식이다. 만일 릴레이로 사용할 수 있는 근거리 사용자가 다수 존재한다면 가장 적합한 릴레이를 선택하여 시스템의 성능을 개선할 수 있다[6]-[8].
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참고문헌 (16)

  1. Y.Saito, Y. Kishiyama, and A. Benjebbour, "Non-orthogonal multiple access (NOMA) for cellular future radio access," Proc. of Veh. Tech. Conf. (VTC spring), pp. 1-5, June 2013. 

  2. L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, C.-L. I, and Z. Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," IEEE Communications Magazine, Vol.53, No.9, pp.74-81, Sep. 2015. 

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  3. Y. Saito, A. Benjebbour, Y. Kishiyama, and T. Nakamura, "System-level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access (NOMA)," Proc. of Annual Int. Sym. on Personal, Indoor, and Mobile Radio Communications (PIMRC), pp. 611-615, Sept. 2013. 

  4. P. Xu, Z. Yang, Z. Ding, and Z. Zhang, "Optimal relay selection schemes for cooperative NOMA," IEEE Trans. on Vehicular Technology, to be appear in April 2018. 

  5. Z. Ding, H. Dai, H. V. Poor, "Relay selection for cooperative NOMA," IEEE Wireless Communications Letters, Vol.5, No.4, pp.416-419, 2016. 

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  6. Z. Ding, M. Peng, and H. V. Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple access in 5G systems," IEEE Communications Letters, Vol.19, No.8, pp. 1462-1465, June 2015. 

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  7. Y. Liu, Z. Ding, M. Elkashlan, and H. V.Poor, "Cooperative non-orthogonal multiple access with simultaneous wireless information and power transfer," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.34, No.4, pp.938-953, March 2016. 

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  8. N.-S. Kim, "Utilization of max-min user relay in cooperative NOMA systems," Journal of Telecommunications, Electronic and Computer Engineering, Vol.10, No.1-4, pp.89-94, March 2018. 

  9. S. Haykin, "Cognitive radio: brain-empowered wireless communications," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.23, No.2, pp.201-220, Feb. 2005. 

    상세보기

  10. A. Ghasemi and E. Sousa, "Spectrum sensing in cognitive radio networks: requirements, challenges and design trade-offs," IEEE Communications Magazine, Vol.46, No.5, pp.32-39, April 2008. 

  11. Y. Liu, Z. Ding, M. Elkashlan, and J. Yuan, "Non-orthogonal multiple access in large-scale underlay cognitive radio networks," IEEE Tr. On Vehicular Technology, Vol.65, No.12, pp.10152- 10157, Dec. 2016. 

  12. M. Zeng, G. I. Tsiropoulos, O. A. Dobre, and M. H. Ahmed, "Power allocation for cognitive radio networks employing non-orthogonal multiple access," Proc. of GLOCOM, pp. 1-5, Feb. 2016. 

  13. L. Lv, J. Chen, and Q. Ni, "Cooperative non-orthogonal multiple access in cognitive radio," IEEE Communications Letters, Vol.20, No.10, pp.2059-2062, Oct. 2016. 

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  14. N.-S Kim, "Optimum power allocation of cooperative NOMA systems based on user relay," Journal of The Institute of Internet, Broadcasting and Communication, Vol. 17, No. 5, pp.25-33, Oct. 2017. 

  15. H. Saraweera, P. Smith, and N. Surobhi, "Exact outage probability of cooperative diversity with opportunistic spectrum access," Proc. of International Conf. on Commu. Workshops(ICC), pp.79-84, May 2008. 

  16. K. Lee and A. Yener, "Outage performance of cognitive wireless relay networks," Proc. of Globecom, pp.1-5, Nov. 2006. 

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