전체 논문 중 NOMA의 기본 개념에 대해서 정리한다.
출처: Y. Liu, Z. Qin, M. Elkashlan, Z. Ding, A. Nallanathan and L. Hanzo, "Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond," in Proceedings of the IEEE, vol. 105, no. 12, pp. 2347-2381, Dec. 2017.
논문 링크: Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond | IEEE Journals & Magazine | IEEE Xplore
Nonorthogonal Multiple Access for 5G and Beyond
Driven by the rapid escalation of the wireless capacity requirements imposed by advanced multimedia applications (e.g., ultrahigh-definition video, virtual reality, etc.), as well as the dramatically increasing demand for user access required for the Inter
ieeexplore.ieee.org
요약
NOMA는 여러 사용자의 신호를 시간//주파수 영역에서 동시에 수신하고 검출하는 기술이다. 기존 OMA 방식은 한 자원에 한 사용자만 할당하지만 NOMA는 여러 사용자가 같은 자원을 공유할 때 생기는 간섭을 제거하면서 신호를 복원한다. NOMA는 기존 기술에 더해 성능 개선을 줄 수 있다.
Key Technologies of NOMA
1) Superposition Coding: 채널이 나쁜 사용자를 낮은 전송률로 먼저 인코딩한 후에 채널이 좋은 사용자를 그 위에 덧씌우는 방식이다. 이 방법을 통해 서로 다른 채널 품질을 가진 사용자들을 동시에 지원할 수 있다. SC는 간섭 채널, 릴레이 채널, 다중접속 채널, 와이어탭 채널에서 사용되었으며 정보이론적 기반이 탄탄한 기술이라고 볼 수 있다.
2) Successive Interference Cancellation: 여러 사용자가 동시에 자원을 공유하면 간섭이 생겨 용량이 떨어진다. 그렇기에 효율적인 간섭 제거 기술이 필요하다. SIC는 수신된 여러 신호 중 가장 강한 신호를 먼저 검출하고 검출한 신호를 다시 인코딩하고 변조해서 복원한다. 복원된 신호를 전체 수신 신호에서 빼 그 신호가 차지하던 간섭을 제거한다. 이렇게 첫 번째 신호를 제거하면 다음으로 강한 신호가 가장 강한 신호가 되고, 같은 검출 → 재생성 → 제거 과정을 반복한다. 모든 신호를 하나씩 제거하고 나면 가장 약한 사용자 신호만 남고 이는 더 이상 간섭을 받지 않기에 깨끗하게 디코딩할 수 있다.
Main Advantages of NOMA
• High bandwidth efficiency: NOMA는 각 시간/주파수 자원을 여러 사용자가 동시에 사용할 수 있기에 더 높은 주파수대 효율성과 전송 효율을 갖는다.
• Fairness: NOMA는 신호가 약한 사용자에 더 많은 전력을 할당한다. 이를 통해 모든 사용자가 공평하게 일정 수준의 전송률을 확보하는 동시에 전체 시스템의 데이터 처리량도 높게 유지할 수 있다.
• Ultrahigh connectivity: NOMA는 OMA 보다 더 적은 RB로 여러 IoT 기기들을 연결할 수 있기에 여러 기기들 간의 연결 면에서 유리하다.
• Compatibility: NOMA는 기존 TDMA/FDMA/ CDMA/OFDMA 와 같은 OMA 기술에 추가될 수 있다. 이론과 실무에서 SC와 SIC의 성숙은 현존하는 MA 기술에 추가되어 더 좋은 성능을 보여줄 수 있다.
• Flexibility: MUSA [21], PDMA [22], and SCMA 와 같은 기술에 비해 NOMA는 이론적으로 설득력이 있으며 설계 복잡도가 낮다.
Downlink/Uplink NOMA Transmission
(a) Power multiplexing NOMA: 사용자 m과 n은 같은 시간축을 공유하는 동시에 사용자 m은 n보다 더 두꺼운 블록을 가지며 더 많은 전력을 할당받는다. 전력 레벨을 다르게 해서 두 사용자의 신호를 동시에 전송한다.
(b) Downlink NOMA Transmission: BS는 사용자 m과 n의 신호를 섞어 각 사용자에게 전송한다. 채널이 나쁜 사용자 m은 전력을 더 많이 할당 받고 자기 신호만 검출한다. 사용자 n은 채널이 좋아 전력을 적게 할당받으며 여기선 m의 신호를 검출해 빼내는 SIC 과정을 거치게 된다. 경우에 따라 두 사용자는 서로를 도와줄 수도 있다.
(c) Uplink NOMA Transmission: 업링크에선 두 사용자가 같은 시간을 사용해 신호를 BS에 전송한다. 첫번째로 상대적으로 채널이 좋아 검출하기 쉬운 사용자 n의 신호를 검출한다. 이후 검출된 n의 신호를 제거하여 m의 신호를 검출할 수 있다.