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KR20220167917A - 채널 용량 개선을 위한 cnoma-oam을 결합한 무선 신호 전송 방법 - Google Patents

채널 용량 개선을 위한 cnoma-oam을 결합한 무선 신호 전송 방법 Download PDF

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KR20220167917A
KR20220167917A KR1020210077218A KR20210077218A KR20220167917A KR 20220167917 A KR20220167917 A KR 20220167917A KR 1020210077218 A KR1020210077218 A KR 1020210077218A KR 20210077218 A KR20210077218 A KR 20210077218A KR 20220167917 A KR20220167917 A KR 20220167917A
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KR
South Korea
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ccu
signal
oam
ceu
cnoma
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Application number
KR1020210077218A
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Inventor
신수용
이상훈
아민 아흐메드 알
Original Assignee
금오공과대학교 산학협력단
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법에 의하면, 기지국과 근거리에 위치한 CCU와, 원거리에 위치한 CEU 간에 단일 셀 내에서 협력적 NOMA 통신을 이용한 신호 전송 방법에 있어서, 기지국은 첫번째 시간 슬롯 동안 상기 CCU에 보낼 CCU신호와 상기 CEU에 보낼 CEU신호가 중첩된 NOMA 신호를 동일 주파수 대역을 이용하여 CCU와 CEU에 동시 전송하는 단계; 상기 기지국은 OAM 모드를 사용하여 첫번째 시간 슬롯 동안 CCU신호를 추가 전송하는 단계; 상기 CCU는 두번째 시간 슬롯 동안 상기 중첩된 NOMA 신호를 디코딩하여 자신이 수신할 CCU신호를 수신함과 아울러, 디코딩된 CEU신호를 CEU로 중계 전송하는 단계를 포함한다.

Description

채널 용량 개선을 위한 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법{Wireless signal transmission method combining CNOMA-OAM for improving channel capacity}
본 발명은 무선신호 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 채널용량 개선을 위한 CNOMA-OAM 결합한 무선 신호 전송 방법에 관한 것이다.
차세대 무선 통신은 데이터 트래픽의 1000배 증가하여 처리할 것으로 예상되므로 채널 용량은 중요한 기준이 되며, 따라서 채널 용량 개선 등에 대한 노력이 필요하다.
최근 각광받고 있는 전력 도메인의 비직교 다중 액세스(Non-Orthogonal Multiple Access, 이하 NOMA라 함)는 다른 기존의 다중 액세스 방법보다 더 높은 용량 이득을 제공한다.
전력 도메인에 NOMA를 사용하면 서로 다른 정보 신호를 중첩하여 여러 사용자 심볼에 동시에 전송할 수 있다.
기지국(Base Station, BS, Source)과의 최단거리를 기준으로 상대적 거리가 짧은 경우에 해당하는 CCU(Cell Center User, 셀 중심 사용자) 및 상대적 거리가 먼 경우에 해당하는 CEU (Cell Edge User, 셀 외각 사용자)에 대한 수신 신호는 전력 할당 수준에 따라 구분된다.
최근, 기존에 NOMA를 활용하되 다양한 방법을 접목하여 채널용량을 개선하거나 무선 통신이 원활하게 이루어지기 위한 방법이 연구되고 있다.
그 중 Cooperative NOMA(CNOMA)는 협력적 비직교 다중 접속으로서, 기지국에서 복수의 UE(User Equipment, CCU, CEU들을 통칭하는 것에 해당)들로만 신호를 보내는 것이 아니라, UE들끼리도 협력적으로 신호를 중계(Relay)하도록 하여, 전력 분배 등을 최적화시키도록 하며, 특히 CCU를 CEU용 릴레이로 활용하여 채널이 약한 CEU에 대해서도 수신 데이터 신뢰성과 커버리지 영역을 향상시킬 수 있다.
또 다른 방법으로는 CCU는 SIC(Successive Interference Cancellation, 순차적 간섭 제거)에 의해 자체적으로 신호를 디코딩하며, 또한 CEU의 기호를 해독하고 CEU로 중계하여 신뢰성을 향상시킬 수도 있다.
또한 채널 용량을 개선하기 위해 CNOMA에 대한 여러 연구가 있는데, 이전 연구에서는 사용자 페어링 사용, 직교 다중 액세스(OMA) 및 NOMA의 조합, GSSK (Generalized Space Shift Keying)와 NOMA의 통합, 조정된 다중 포인트 사용(CoMP) 및 NOMA와 같은 방법이 제안되어 있다.
한편, 궤도 각 운동량(OAM : Orbital Angular Momentum, 이하 OAM이라 함) 신호를 활용하여 CNOMA의 총 용량(SC : Sum Capacity)을 개선할 수 있는 엄청난 잠재력이 있다. OAM은 신호 전송을 위해 OAM 모드로 알려진 새로운 자유도를 사용한다.
따라서, CNOMA의 총 채널용량을 개선하기 위해 OAM을 CNOMA에 결합하여 신호 전송하는 방법에 대한 연구가 필요하게 되었다.
L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, C. I and Z. Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," in IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, pp. 74-81, September 2015. J. W. Kim, S. Y. Shin and V. C. M. Leung, "Performance Enhancement of Downlink NOMA by Combination With GSSK," in IEEE Wireless Communications Letters, vol. 7, no. 5, pp. 860-863, Oct. 2018. Y. Tian, A. R. Nix and M. Beach, "On the Performance of Opportunistic NOMA in Downlink CoMP Networks," in IEEE Communications Letters, vol. 20, no. 5, pp. 998-1001, May 2016. K. Janghel and S. Prakriya, "Performance of Adaptive OMA/Cooperative-NOMA Scheme With User Selection," in IEEE Communications Letters, vol. 22, no. 10, pp. 2092-2095, Oct. 2018. R. Jiao, L. Dai, J. Zhang, R. MacKenzie and M. Hao, "On the Performance of NOMA-Based Cooperative Relaying Systems Over Rician Fading Channels," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, no. 12, pp. 11409-11413, Dec. 2017.
본 발명의 목적은 채널용량을 개선하고, OAM 모드에 의해 간섭없이 CCU 신호를 전송할 수 있으며, 협력적 NOMA 통신에 의해 CEU신호의 수신 신뢰성을 향상시킬 수 있는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법은, 기지국과 근거리에 위치한 CCU와, 원거리에 위치한 CEU 간에 단일 셀 내에서 협력적 NOMA 통신을 이용한 신호 전송 방법에 있어서, 기지국은 첫번째 시간 슬롯 동안 상기 CCU에 보낼 CCU신호와 상기 CEU에 보낼 CEU신호가 중첩된 NOMA 신호를 동일 주파수 대역을 이용하여 CCU와 CEU에 동시 전송하는 단계; 상기 기지국은 OAM 모드를 사용하여 첫번째 시간 슬롯 동안 CCU신호를 추가 전송하는 단계; 상기 CCU는 두번째 시간 슬롯 동안 상기 중첩된 NOMA 신호를 디코딩하여 자신이 수신할 CCU신호를 수신함과 아울러, 디코딩된 CEU신호를 CEU로 중계 전송하는 단계를 포함한다.
상기에 있어서, 상기 OAM 모드를 사용시, CCU와 기지국 사이의 근거리 가정으로 인해 Rician 페이딩 채널이 고려되는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 상기 OAM 모드에 사용되는 OAM 빔은 신호 전송시 고강도 영역에서 발산하여 발생하는 감쇠를 줄이고, OAM 빔의 헬리컬 위상 프로파일에 영향을 주지 않도록 하기 위해 상기 기지국에서 Fresnel-zone-plate 렌즈 안테나를 사용하여 상기 OAM 모드의 CCU신호를 전송하는 것을 특징으로 한다.
상기에 있어서, 정규화된 시간과 총 전송 전력 (각각 T = 1 및 P = 1)을 고려하면 CCU 신호
Figure pat00001
및 CEU신호
Figure pat00002
의 달성 가능한 용량
Figure pat00003
은 각각 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 획득되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure pat00004
[수학식 2]
Figure pat00005
(여기서,
Figure pat00006
는 전송신호에 대한 신호대잡음비(SNR)이고, AWGN (additive white Gaussian noise) 잡음 분산은 모든 수신 신호에 대해
Figure pat00007
이며, P는 총 전송 전력이고,
Figure pat00008
,
Figure pat00009
및
Figure pat00010
는 각각 CCU, OAM을 위한 CCU 및 CEU에 할당된 전력이며,
Figure pat00011
,
Figure pat00012
및
Figure pat00013
는 각각 CCU신호, CEU신호 및 CCU의 CEU로의 중계신호에 대한 Rician 페이딩 채널 계수이다.)
상기에 있어서, 상기 OAM 빔에 의한 CCU 신호
Figure pat00014
의 용량
Figure pat00015
은 하기 수학식 3과 같이 획득 되는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure pat00016
(여기서,
Figure pat00017
는 전송신호에 대한 신호대잡음비(SNR)이고, AWGN (additive white Gaussian noise) 잡음 분산은 모든 수신 신호에 대해
Figure pat00018
이며, P는 총 전송 전력이고,
Figure pat00019
,
Figure pat00020
및
Figure pat00021
는 각각 CCU, OAM을 위한 CCU 및 CEU에 할당된 전력이다.)
본 발명의 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법은 CNOMA-OAM 통신을 통해 SC를 향상시킬 수 있으며, 하기의 수치 산술적 결과 분석에 살펴본 바와 같이, 본 발명의 CNOMA-OAM이 Rician 페이딩 채널을 통해 종래의 다른 방식보다 훨씬 높은 SC를 제공함을 보여주며, 제공된 분석 결과는 시뮬레이션 결과에 의해 입증되며, OAM 빔에 대한 최적 전송 전력도 수행할 수 있게 되며, 향후 CNOMA-OAM 기반 동시 무선 정보 및 전력 전송 연구에 기여할 수 있다.
또한, OAM 모드에서 CCU로 추가 전송에 의해 신호 간섭없이 신호를 CCU에서 수신할 수 있으며,CEU의 경우, 중계 전송에 의해 채널이 약한 경우에도 CCU의 중계를 통해 안전하게 신호를 전송받을 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송을 위한 CNOMA-OAM 시스템 모델의 개념도이다.
도 2는 도 1의 CNOMA-OAM 시스템을 이용한 통신 프로토콜 예시를 나타낸 도면이다.
도 3은 CNOMA-OAM 통신의 SC에 대한 OAM 빔의 할당된 전력의 영향 비교 예이다.
도 4는 SNR에 대한 CCU의 용량 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 5는 SNR에 대한 CEU의 용량 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 6은 CNOMA-OAM과 다른 방식의 SC 비교 예를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법의 순서도이다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다. 또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.
본 발명에서 사용되는 OAM은 전파된 전자기파의 방위각에 대한 위상 변화를 이용하는 것으로, 파동의 나선형 위상 구조로 이어지며, CNOMA와 OAM간의 고려된 상호 작용은 본 발명에서 CNOMA-OAM으로 명명하기로 한다.
본 발명에서 CNOMA 통신에 OAM을 결합한 통신으로 기존의 CNOMA 통신에 대해 설명하면, 다음과 같다.
우선 NOMA 기반 협력적 통신은 하나 또는 다수의 릴레이의 도움을 통해 소스와 목적지 간의 통신 연결을 수행하는 협력 통신은 통신 범위를 확장하고 다중 경로 페이딩 효과에 효율적으로 대처하여 시스템 용량을 증가시키는 기술로 협력적 통신 시스템에서 릴레이는 증폭 및 포워드(Amplify and Forward: AF) 및 디코드 및 포워드(Decode and Forward: DF) 등과 같은 포워딩 프로토콜을 적용하여 수신된 정보 신호를 관련 목적지로 전송한다.
또한, 릴레이는 동작에 따라 반이중(HD) 및 전이중(FD)으로 크게 분류된다. 협력적 통신과 NOMA 의 결합은 NOMA의 시스템 효율을 더욱 향상시킬 수 있다.
또한 협력 NOMA 전송 방식은 직접 전송 단계(Non-cooperative NOMA)와 협력(Cooperative)하여 전송하는 중계 전송 단계의 두 단계로 나누어진다.
직접 전송 단계에서, 기지국은 사용자 A 및 사용자 B를 위한 메시지를 중첩시켜서 전송한다. 중계 전송 단계에서, 사용자 B는 자신의 메시지를 디코딩하기 위해 사용자 A의 신호에 대한 SIC를 수행하며, 이후 디코딩된 정보를 사용자 A로 전송하기 위한 중계 역할을 한다. 따라서 사용자 A에게는 2개의 동일한 메시지가 서로 다른 채널을 통해 수신된다.
결과적으로, NOMA 기반의 협력 통신은 채널 상태가 약한 사용자 B의 수신 신뢰도를 상당히 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 하향 링크(DL) 통신을 위해 본 발명의 CNOMA-OAM 통신을 위한 시스템 모델은 도 1에 도시하고 있다.
CNOMA-OAM 통신을 위한 시스템에서는 기지국(BS)과 복수의 사용자 단말에 해당하는, CCU(Cell Center User)와 CEU(Cell Edge User)를 포함하고, 단일 셀을 가정한다.
CCU는 CEU보다 BS에 훨씬 더 가깝다고 가정하며, 완벽한 채널 상태 정보 (CSI)가 가정되며, CCU는 CEU에 비해 채널 이득이 더 높은 것으로 가정한다. 또한 데이터 신뢰성과 커버리지 영역을 향상시키기 위해 CCU는 CEU를 위한 디코드 및 포워드(DF)를 수행하는 릴레이로 사용되도록 협력적 통신을 수행한다.
도 1에 도시된
Figure pat00022
및
Figure pat00023
는 BS에서 CCU 및 CEU의 각각 정규화된 거리를 의미한다. BS-to-CCU (링크 1), BS-to-CEU (링크 2) 및 CCU-to-CEU(링크 4)의 독립적 인 Rician 페이딩 채널 계수는 각각
Figure pat00024
,
Figure pat00025
및
Figure pat00026
로 표시된다.
Figure pat00027
,
Figure pat00028
및
Figure pat00029
는 각각 BS-CCU, BS-CEU 및 CCU-CEU 링크의 평균 전력이다. 여기서는
Figure pat00030
<
Figure pat00031
로 가정한다.
또한 BS-to-CCU (Link 3)의 OAM 채널은
Figure pat00032
으로 표시되며, 또한
Figure pat00033
은 고려된 OAM 모드를 나타낸다.
감쇠를 줄이기 위해 낮은 수의 OAM 모드, 즉
Figure pat00034
= 1이 고려될 수 있다. OAM은 LOS(Line-of-Sight) 조건에서 더 나은 성능을 제공하고, 채널 조건이 더 좋은 사용자에게 있어 OAM은 도 1에서 CCU에서만 전송되도록 고려되는 이유이다.
Figure pat00035
,
Figure pat00036
및
Figure pat00037
는 각각 CCU, OAM을 위한 CCU 및 CEU에 할당된 전력이며, 여기서,
Figure pat00038
>
Figure pat00039
+
Figure pat00040
및
Figure pat00041
=
Figure pat00042
=
Figure pat00043
이다. P는 총 전송 전력으로 표시된다.
CNOMA-OAM 결합 통신 방식에 대해 본 발명에서 다운로드 링크(DL) 전송을 위한 통신 프로토콜 예는 도 2에 도시하고 있다.
여기서 T는 전체 DL 전송을 위한 시간 슬롯(Time Slot)의 총 지속 시간에 해당하며, 본 발명의 본 발명의 통신 프로토콜에 따르면,
Figure pat00044
과
Figure pat00045
는 T/2 시간의 첫 번째 타임 슬롯(First Time Slot)에서 CNOMA에 의해 각각 CCU와 CEU로 전송된다.
또한 동시에 슬롯
Figure pat00046
은 간섭없이 OAM 모드에 의해 CCU로 동시에 전송된다. T/2 시간 동안의 두 번째 시간 슬롯(Second Time Slot)에서 CCU(DF)는
Figure pat00047
를 CEU에 중계하여 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
1. 직접 전송(Direct Transmission)
CNOMA 통신 개념에 따르면, 첫 번째 시간 슬롯에서 BS는 하기 수학식 1과 같이 두 개의 서로 다른 데이터 신호 심볼
Figure pat00048
과
Figure pat00049
의 중첩을 CCU와 CEU로 전송한다.
Figure pat00050
여기서
Figure pat00051
는 i 번째 데이터 기호를 나타낸다. CCU는 SIC를 사용하여 상기 수학식 1로부터
Figure pat00052
을 산출한다. CCU에서 수신 신호
Figure pat00053
및
Figure pat00054
에 대한 신호대간섭및잡음비(SINR, signal-to-interference plus noise ratio)은 각각 하기 수학식 2와 수학식 3과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00055
Figure pat00056
여기서
Figure pat00057
는 전송신호에 대한 신호대잡음비(SNR)이고, AWGN (additive white Gaussian noise) 잡음 분산은 모든 수신 신호에 대해
Figure pat00058
이다.
또한
Figure pat00059
는 CEU에 의해 디코딩될 수 있으며, CEU에서 신호
Figure pat00060
에 대해 수신된 SINR은 하기 수학식 4와 같이 산출될 수 있다.
Figure pat00061
또한
Figure pat00062
은
Figure pat00063
와 함께 OAM (
Figure pat00064
= 1)을 사용하여 동시에 CCU로 직접 전송된다. CCU와 BS 사이의 근거리 가정으로 인해 Rician 페이딩 채널이 고려된다. NOMA 링크는 OAM 모드의 차이로 인해 OAM 링크를 방해하지 않으며, CCU에서 신호
Figure pat00065
에 대해 수신된 SINR은 하기 수학식 5와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00066
여기서
Figure pat00067
는 내림차순으로 표시된 OAM 채널의 특이값이다.
OAM 빔은 고강도 영역에서 발산하여 감쇠를 일으킬 수 있으나, BS에서 Fresnel-zone-plate 렌즈 안테나를 사용하면 OAM 빔의 헬리컬 위상 프로파일에 영향을 주지 않고, 이 문제를 완화할 수 있다. 정규화된 채널 행렬
Figure pat00068
은 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00069
여기서 m은 수신 안테나의 인덱스이고, M은 총 수신 안테나 수다.
여기서는 OAM에 의해
Figure pat00070
을 전송하기 위해 하나의 OAM 빔이 고려되기 때문에, LOS 시스템을 위한 OAM 빔 사이에 심볼 간 간섭 또는 모드 간 간섭의 가능성이 없다.
2. 중계 전송(Relay Transmission)
도 1에서 두 번째 시간 슬롯에서 링크 4는 총 전송 전력으로 전송된다. 또한 CCU는 첫 번째 타임 슬롯에서 신호 심볼
Figure pat00071
를 완벽하게 디코딩할 수 있다고 가정한다. CCU에서 중계하여
Figure pat00072
신호에 대해 CEU에서 수신된 SINR은 하기 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00073
3. 합계 용량(Sum Capacity)
정규화된 시간과 총 전송 전력 (각각 T = 1 및 P = 1)을 고려하면
Figure pat00074
및
Figure pat00075
의 달성 가능한 용량은 각각 하기 수학식 8, 수학식 9와 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00076
Figure pat00077
또한 OAM 빔에 의한
Figure pat00078
용량은 하기 수학식 10과 같이 획득할 수 있다.
Figure pat00079
여기서 K는 OAM 채널 행렬의 순위이다.
따라서 총 용량은 하기 수학식 11, 수학식12을 합하여 수학식 13과 같이 산출된다.
Figure pat00080
Figure pat00081
Figure pat00082
여기서 E [.]는 기대 연산자를 나타낸다. 반면
Figure pat00083
및
Figure pat00084
는 본 발명의 CNOMA-OAM 방식에 대한 CCU 및 CEU의 용량이다. CNOMA-OAM 방식은 종래의 CNOMA 및 OMA-OAM 방식 및 Rician 페이딩 채널과 비교되며, 구체적 비교는 후술하기로 한다.
4. 종래의 OMA-OAM 체계
OMA의 경우 TDMA(Time Division Multiple Access)가 고려된다. 이 경우 BS는 총 전송 전력이 P인 다른 시간 슬롯에서 CCU 및 CEU에 대한 정보 신호를 독립적으로 전송한다. 다른 신호 심볼 (예 :
Figure pat00085
,
Figure pat00086
및
Figure pat00087
)에 대해 CCU 및 CEU에 할당된 다른 시간 슬롯과
Figure pat00088
에 대한 릴레이는 다음과 같이 표시된다.
Figure pat00089
,
Figure pat00090
,
Figure pat00091
및
Figure pat00092
. 또한 T = 1이 여기에서 고려되므로 전체 시간 슬롯은 OMA-OAM 방식의 각 시간 슬롯에 대해 동일하게 분할된다.
따라서 여기에서는
Figure pat00093
=
Figure pat00094
=
Figure pat00095
=
Figure pat00096
=
Figure pat00097
가 고려되며, 달성 가능한
Figure pat00098
및
Figure pat00099
용량은 OMA-OAM 방식에 대해 하기 수학식 14 및 수학식 15와 같이 달성할 수 있다.
Figure pat00100
Figure pat00101
또한 OAM 빔에 의해 달성 가능한
Figure pat00102
용량을 이용하여 CCU와 CEU의 OMA-OAM 방식에서의 합계 용량에 대해 하기 수학식 16 내지 수학식 20과 같이 획득할 수 있다.
Figure pat00103
따라서 OMA-OAM 방식의 SC는 하기 수학식 17 및 수학식 18을 이용하여, 하기 수학식 19로 얻을 수 있다.
Figure pat00104
Figure pat00105
Figure pat00106
여기서 E [.]는 기대 연산자를 나타낸다. 또한
Figure pat00107
및
Figure pat00108
는 OMA-OAM 체계에 대한 CCU 및 CEU의 용량이다.
5. 용량 분석
이 용량 분석에서는 독립적인 Rician 페이딩 채널을 통해 본 발명의 CNOMA-OAM의 총 용량에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.
먼저
Figure pat00109
을 지정하고,
Figure pat00110
의 CDF는 하기 수학식 20과 같다.
Figure pat00111
여기서
Figure pat00112
이다.
또한 아래 첨자 x는 BS-CEU 링크, y는 BS-CCU 링크, w는 CCU-CEU 링크를 각각 나타낸다. 마찬가지로
Figure pat00113
의 CDF는 하기 수학식 21과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00114
여기서 매개 변수는 수학식 16에 의해 정의된다.
따라서
Figure pat00115
의 정확한 표현은 수학식 22와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00116
여기서 D(ρ)는 수학식 23과 같다.
Figure pat00117
또한
Figure pat00118
는 D (ρ)로 유도될 수 있으며, 마찬가지로
Figure pat00119
의 정확한 표현은 하기 수학식 24와 같다.
Figure pat00120
또한 OAM 채널은 CCU에 대한 LOS 통신에서 수행되고 있으며, CCU도 CEU보다 채널 상태가 더 좋다. 따라서 OAM에 의한
Figure pat00121
의 정확한 표현은 하기의 수학식 25와 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00122
수학식 22, 수학식 24 및 수학식 25를 이용하여, 총 용량은 하기 수학식 26과 수학식 27을 합하여 수학식 28과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00123
Figure pat00124
Figure pat00125
여기서 E [.]는 기대 연산자를 나타낸다. 또한
Figure pat00126
및
Figure pat00127
는 본 발명의 CNOMA-OAM 방식에 대한 CCU 및 CEU의 정확한 용량을 의미한다.
6. 산술적 결과 분석
Rician 페이딩 매개 변수는
Figure pat00128
=
Figure pat00129
= 5 및
Figure pat00130
= 2로 간주된다. 또한 모든 시뮬레이션 결과 분석에 대해
Figure pat00131
= 0.5 및
Figure pat00132
= 1이 고려된다.
Figure pat00133
= 9 <
Figure pat00134
=
Figure pat00135
= 36은 시뮬레이션을 위해 고려된다. 또한 여기에서는 시뮬레이션 목적으로 P = 1로 가정한다.
본 발명의 CNOMA-OAM 통신의 SC에 대한 OAM 빔의 할당된 전력의 영향은 도 3에서 분석된다. 본 발명의 방식에 대한 SC 대
Figure pat00136
비교에 대해 ρ = 15 및
Figure pat00137
= 0.6이 고려된다. 도 3에서 볼 수 있듯이
Figure pat00138
= 0.2는 본 발명의 CNOMA-OAM 방식에 최적의 SC를 제공한다. 따라서 용량 대 SNR 비교를 위해
Figure pat00139
= 0.2,
Figure pat00140
= 0.2 및
Figure pat00141
= 0.6이 고려된다.
SNR에 대한 CCU 및 CEU의 용량 비교는 본 발명의 다른 기존 방식에 대한 도 4와 도 5에 나와 있다.
또한, CNOMA-OAM과 다른 방식의 SC 비교는 도 6에 나와 있다. CNOMA-OAM 방식은 도 6에 표시된 기존 CNOMA 및 OMA-OAM보다 높은 SC를 제공한다.
반면 SC는 CCU 및 CEU의 용량 추가이다. 따라서 본 발명의 방식의 경우 CCU의 용량 향상은 도 4에 표시된 첫 번째 타임 슬롯에서 BS에서 CCU로
Figure pat00142
을 동시에 전송하기 위해 추가 OAM 채널을 활용함으로써 달성될 수 있다.
그러나 OMA-OAM은 최대 전력 전송으로 인해 CNOMA-OAM보다 CCU에서 약간 더 높은 용량을 제공한다. CEU의 달성된 용량은 도 5에 표시된 CNOMA-OAM과 기존 CNOMA에 대해 동일하다. 또한 CNOMA-OAM은 도 5에 표시된 OMA-OAM보다 훨씬 높은 용량을 제공한다. 결과적으로 SC는 CNOMA 및 OAM 개념을 효과적으로 활용하여 CNOMA-OAM 체계에서 더욱 향상된다. 본 발명의 CNOMA-OAM 방식의 분석 결과는 Monte-Carlo 시뮬레이션 결과로도 검증된다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법의 순서도이다.
기본적으로 CNOMA-OAM 통신을 위해 본 발명의 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법에서는 기지국(BS)과 복수의 사용자 단말에 해당하는, CCU(Cell Center User)와 CEU(Cell Edge User)를 포함하고, 단일 셀을 가정한다.
CCU는 CEU보다 BS에 훨씬 더 가깝다고 가정하며, 완벽한 채널 상태 정보 (CSI)가 가정되며, CCU는 CEU에 비해 채널 이득이 더 높은 것으로 가정한다. 또한 데이터 신뢰성과 커버리지 영역을 향상시키기 위해 CCU는 CEU를 위한 디코드 및 포워드(DF)를 수행하는 릴레이로 사용되도록 협력적 통신을 수행한다.
먼저 기지국은 첫번째 시간 슬롯 동안 상기 CCU에 보낼 CCU신호와 상기 CEU에 보낼 CEU신호가 중첩된 NOMA 신호를 동일 주파수 대역을 이용하여 CCU와 CEU에 동시 전송한다(S100).
상기 기지국은 OAM 모드를 사용하여 첫번째 시간 슬롯 동안 CCU신호를 추가 전송한다(S102).
이후, 상기 CCU는 두번째 시간 슬롯 동안 상기 수신한 중첩된 NOMA 신호를 디코딩하여 자신이 수신할 CCU신호를 수신함과 아울러, 디코딩된 CEU신호를 CEU로 중계 전송한다(S104, S106).
이와 같은 통신 방식에 의해 OAM 모드에서 CCU로 추가 전송에 의해 신호 간섭없이 신호를 CCU에서 수신할 수 있으며,CEU의 경우, 중계 전송에 의해 채널이 약한 경우에도 CCU의 중계를 통해 안전하게 신호를 전송받을 수 있어 신뢰성을 향상시킬 수 있다.
또한, 결과적으로 CNOMA-OAM이 Rician 페이딩 채널을 통해 종래의 다른 방식보다 훨씬 높은 SC를 제공함을 보여주며, OAM 빔에 대한 최적 전송 전력도 수행할 수 있게 되며, 향후 CNOMA-OAM 기반 동시 무선 정보 및 전력 전송에 대한 연구에 기여할 수 있다.

Claims (5)

  1. 기지국과 근거리에 위치한 CCU와, 원거리에 위치한 CEU 간에 단일 셀 내에서 협력적 NOMA 통신을 이용한 신호 전송 방법에 있어서,
    기지국은 첫번째 시간 슬롯 동안 상기 CCU에 보낼 CCU신호와 상기 CEU에 보낼 CEU신호가 중첩된 NOMA 신호를 동일 주파수 대역을 이용하여 CCU와 CEU에 동시 전송하는 단계;
    상기 기지국은 OAM 모드를 사용하여 첫번째 시간 슬롯 동안 CCU신호를 추가 전송하는 단계;
    상기 CCU는 두번째 시간 슬롯 동안 상기 중첩된 NOMA 신호를 디코딩하여 자신이 수신할 CCU신호를 수신함과 아울러, 디코딩된 CEU신호를 CEU로 중계 전송하는 단계
    를 포함하는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 OAM 모드를 사용시, CCU와 기지국 사이의 근거리 가정으로 인해 Rician 페이딩 채널이 고려되는 것을 특징으로 하는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 OAM 모드에 사용되는 OAM 빔은 신호 전송시 고강도 영역에서 발산하여 발생하는 감쇠를 줄이고, OAM 빔의 헬리컬 위상 프로파일에 영향을 주지 않도록 하기 위해 상기 기지국에서 Fresnel-zone-plate 렌즈 안테나를 사용하여 상기 OAM 모드의 CCU신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    정규화된 시간과 총 전송 전력 (각각 T = 1 및 P = 1)을 고려하면
    CCU 신호
    Figure pat00143
    및 CEU신호
    Figure pat00144
    의 달성 가능한 용량
    Figure pat00145
    은 각각 하기 수학식 1 및 수학식 2와 같이 획득되는 것을 특징으로 하는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법.
    [수학식 1]
    Figure pat00146

    [수학식 2]
    Figure pat00147

    (여기서,
    Figure pat00148
    는 전송신호에 대한 신호대잡음비(SNR)이고, AWGN (additive white Gaussian noise) 잡음 분산은 모든 수신 신호에 대해
    Figure pat00149
    이며, P는 총 전송 전력이고,
    Figure pat00150
    ,
    Figure pat00151
    및
    Figure pat00152
    는 각각 CCU, OAM을 위한 CCU 및 CEU에 할당된 전력이며,
    Figure pat00153
    ,
    Figure pat00154
    및
    Figure pat00155
    는 각각 CCU신호, CEU신호 및 CCU의 CEU로의 중계신호에 대한 Rician 페이딩 채널 계수이다.)
  5. 제3항에 있어서,
    상기 OAM 빔에 의한 CCU 신호
    Figure pat00156
    의 용량
    Figure pat00157
    은 하기 수학식 3과 같이 획득 되는 것을 특징으로 하는 CNOMA-OAM을 결합한 무선 신호 전송 방법.
    [수학식 3]
    Figure pat00158

    (여기서,
    Figure pat00159
    는 전송신호에 대한 신호대잡음비(SNR)이고, AWGN (additive white Gaussian noise) 잡음 분산은 모든 수신 신호에 대해
    Figure pat00160
    이며, P는 총 전송 전력이고,
    Figure pat00161
    ,
    Figure pat00162
    및
    Figure pat00163
    는 각각 CCU, OAM을 위한 CCU 및 CEU에 할당된 전력이다.)
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Non-Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
J. W. Kim, S. Y. Shin and V. C. M. Leung, "Performance Enhancement of Downlink NOMA by Combination With GSSK," in IEEE Wireless Communications Letters, vol. 7, no. 5, pp. 860-863, Oct. 2018.
K. Janghel and S. Prakriya, "Performance of Adaptive OMA/Cooperative-NOMA Scheme With User Selection," in IEEE Communications Letters, vol. 22, no. 10, pp. 2092-2095, Oct. 2018.
L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, C. I and Z. Wang, "Non-orthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," in IEEE Communications Magazine, vol. 53, no. 9, pp. 74-81, September 2015.
R. Jiao, L. Dai, J. Zhang, R. MacKenzie and M. Hao, "On the Performance of NOMA-Based Cooperative Relaying Systems Over Rician Fading Channels," in IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 66, no. 12, pp. 11409-11413, Dec. 2017.
Y. Tian, A. R. Nix and M. Beach, "On the Performance of Opportunistic NOMA in Downlink CoMP Networks," in IEEE Communications Letters, vol. 20, no. 5, pp. 998-1001, May 2016.

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