KR102646781B1 - Media-based modulation aided uplink Non-orthogonal Multiple Access System - Google Patents
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Abstract
미디어 기반 변조지원 상향링크 비직교 다중접속 시스템은 다중 안테나를 지원하는 기지국과 단일 송신 안테나를 탑재하고 있는 복수의 사용자 단말 사이에 정보를 전송함에 있어서, 각 사용자 단말은 RF(Radio Frequency) 거울의 ON/OFF 상태와 송신심볼을 송신정보로서 동시에 전송하고, 기지국은 최대우도방식(Maximum-Likelihood, ML) 검출기와 순차적 간섭제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 통해 각 사용자 단말에서 전송된 송신정보를 검출하는 것을 특징으로 한다.The media-based modulation-supported uplink non-orthogonal multiple access system transmits information between a base station supporting multiple antennas and a plurality of user terminals equipped with a single transmission antenna, and each user terminal turns on the RF (Radio Frequency) mirror. The /OFF state and the transmission symbol are simultaneously transmitted as transmission information, and the base station detects the transmission information transmitted from each user terminal through a maximum-likelihood (ML) detector and sequential interference cancellation (SIC). It is characterized by:
Description
본 발명은 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)에 관한 것으로서, 더 상세하게는 미디어 기반 변조지원 상향링크 비직교 다중접속 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to Non-orthogonal Multiple Access (NOMA), and more specifically, to a media-based modulation supported uplink non-orthogonal multiple access system.
사용자 수의 증가로 인한 미래의 무선 네트워크는 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성과 함께 높은 데이터 속도를 요구한다. 또한 인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM)은 정보 비트의 일부를 전송에 사용되는 시스템 리소스의 인덱스로 사용하는 스펙트럼 및 에너지 효율적인 기술이다.Future wireless networks with increasing number of users require high data rates along with high spectral and energy efficiency. Additionally, Index Modulation (IM) is a spectrum- and energy-efficient technology that uses a portion of information bits as an index of system resources used for transmission.
또한, MIMO(Massive Multiple Input Multiple Output) 및 OFDM(Orthogonal Frequency-Division Multiplexing)과 같은 다른 기술과 결합하여 많은 인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM) 기술이 도입되고 있다. 최근에는 NOMA와 IM의 결합이 많은 연구자들의 관심을 끌고 있으며 NOMA 네트워크를 고려하여 인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM)의 성능을 분석하고 있다.Additionally, many index modulation (IM) technologies are being introduced in combination with other technologies such as Massive Multiple Input Multiple Output (MIMO) and Orthogonal Frequency-Division Multiplexing (OFDM). Recently, the combination of NOMA and IM has attracted the attention of many researchers, and the performance of index modulation (IM) is being analyzed considering the NOMA network.
본 발명은 상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위해 제안된 것으로, 상향링크 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)에서 미디어 기반한 변조방식을 제안한다.The present invention was proposed to solve the above technical problems, and proposes a media-based modulation method in uplink non-orthogonal multiple access (NOMA).
상기 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 다중 안테나를 지원하는 기지국과 단일 송신 안테나를 탑재하고 있는 복수의 사용자 단말 사이에 정보를 전송함에 있어서, 각 사용자 단말은 RF(Radio Frequency) 거울의 ON/OFF 상태와 송신심볼을 송신정보로서 동시에 전송하고, 기지국은 최대우도방식(Maximum-Likelihood, ML) 검출기와 순차적 간섭제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 통해 각 사용자 단말에서 전송된 송신정보를 검출하는 것을 특징으로 하는 비직교 다중접속 시스템이 제공된다.According to an embodiment of the present invention to solve the above problem, when transmitting information between a base station supporting multiple antennas and a plurality of user terminals equipped with a single transmission antenna, each user terminal uses RF (Radio Frequency) The ON/OFF status of the mirror and the transmission symbol are simultaneously transmitted as transmission information, and the base station detects the transmission from each user terminal through a maximum-likelihood (ML) detector and sequential interference cancellation (SIC). A non-orthogonal multiple access system characterized by detecting information is provided.
본 발명에서는 상향링크 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)에서 미디어 기반한 변조방식을 제안하였다.The present invention proposes a media-based modulation method in uplink non-orthogonal multiple access (NOMA).
즉, 인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM) 기법의 일종인 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)를 사용하여 공간효율 및 에너지 효율을 증대시키고 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)을 이용하여 연결성을 증대시킨다.In other words, media-based modulation (MBM), a type of index modulation (IM) technique, is used to increase space efficiency and energy efficiency, and non-orthogonal multiple access (NOMA) is used. Use to increase connectivity.
도 1은 본원발명의 실시예에 따른 시스템 모델
도 2는 MBM-NOMA와 기존 NOMA의 BER 성능 비교를 나타낸 도면1 is a system model according to an embodiment of the present invention
Figure 2 is a diagram showing the BER performance comparison of MBM-NOMA and existing NOMA
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다.Hereinafter, in order to explain the present invention in detail so that a person skilled in the art can easily implement the technical idea of the present invention, embodiments of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.
본 발명에서는 상향링크 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)에서 미디어 기반한 변조방식을 제안한다.The present invention proposes a media-based modulation method in uplink non-orthogonal multiple access (NOMA).
인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM) 기법의 일종인 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)를 사용하여 공간효율 및 에너지 효율을 증대시키고 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)을 이용하여 연결성을 증대시킨다.Media-based modulation (MBM), a type of index modulation (IM) technique, is used to increase space efficiency and energy efficiency, and non-orthogonal multiple access (NOMA) is used to increase space efficiency and energy efficiency. Increases connectivity.
제안하는 기법에서 기지국은 다수의 수신 안테나를 가지고 있고 각 사용자(사용자 단말)들은 단일의 송신 안테나를 탑재하고 있다. MBM-NOMA 신호를 탐지하기 위하여 최대우도방식(Maximum-Likelihood, ML) 검출기가 순차적 간섭제거(Successive Interference Cancellation, SIC)와 함께 사용된다.In the proposed technique, the base station has multiple receiving antennas and each user (user terminal) is equipped with a single transmitting antenna. To detect the MBM-NOMA signal, a maximum-likelihood (ML) detector is used with sequential interference cancellation (SIC).
미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)는 인덱스 모듈레이션(Index Modulation, IM) 기법의 일종으로 RF(Radio Frequency) 거울의 ON/OFF 상태를 추가적인 정보로 전송하는 방식이다. 그러므로 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)는 높은 공간효율을 만든다.Media-based Modulation (MBM) is a type of Index Modulation (IM) technique that transmits the ON/OFF status of an RF (Radio Frequency) mirror as additional information. Therefore, media-based modulation (MBM) creates high spatial efficiency.
예를 들어 사용자 (단말)가 “0110” 이라는 정보를 전송하고 싶을 때, “01”은 RF 거울의 상태를 이용하여 전송하고 나머지 “10”은 송신심볼로 전송한다.For example, when a user (terminal) wants to transmit information “0110”, “01” is transmitted using the state of the RF mirror and the remaining “10” is transmitted as a transmission symbol.
도 1은 본원발명의 실시예에 따른 시스템 모델을 나타낸다.1 shows a system model according to an embodiment of the present invention.
RF 거울을 이용하여 추가적인 정보를 송신하고 최대우도방식(Maximum-Likelihood, ML) 검출기와 순차적 간섭제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 이용하여 이와 송신된 심볼을 모두 검출한다.Additional information is transmitted using an RF mirror, and all transmitted symbols are detected using a maximum-likelihood (ML) detector and sequential interference cancellation (SIC).
기본의 공간 효율이 Rconv = log2M 이라고 한다면 제안하는 기법의 공간 효율은 Rprop = nrf + log2M 을 가진다. 여기서 M은 송신 심볼의 변조 지수를 의미하고, nrf는 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)로 만들 수 있는 비트의 수를 의미한다.If the basic space efficiency is R conv = log 2 M, the space efficiency of the proposed technique is R prop = n rf + log 2 M. Here, M refers to the modulation index of the transmission symbol, and nrf refers to the number of bits that can be created by media-based modulation (MBM).
즉, 본 발명에서는 mMTC(massive Machine Type Communications) 시스템에서 복수의 사용자(사용자 단말)를 위한 MBM 지원 상향 링크 NOMA 전송을 고려한다. 각 사용자(k)는 단일 송신 안테나 Nt와 MBM-NOMA 신호 전송을 위해 주위에 nrf 미러링을 갖추고 있으며 수신기(기지국)에는 Nr개의 수신 안테나가 있다. That is, the present invention considers MBM-supported uplink NOMA transmission for multiple users (user terminals) in a massive machine type communications (mMTC) system. Each user (k) is equipped with a single transmit antenna N t and n rf mirroring around it for MBM-NOMA signal transmission, and the receiver (base station) has N r receive antennas.
SIC 기반 MBM-NOMA 수신기는 도 1과 같이 ML 검출을 사용하여 중첩 신호를 검출하는 수신기에서 설계된다.The SIC-based MBM-NOMA receiver is designed in a receiver that detects overlapping signals using ML detection, as shown in Figure 1.
사용자에 대해 수신기에서 수신된 중첩 신호는 수식 1과 같이 표현할 수 있다.The overlapping signal received at the receiver for the user can be expressed as Equation 1.
<식 1><Equation 1>
여기서 H는 각 사용자에 대해 수신된 채널 벡터 hk=[h1,…,hN]T로 구성된 채널행렬, Pk는 전송 전력, xk=[x1…,xK]T는 수신된 심볼 벡터, w는 수신기에서 AWGN 잡음 벡터이다. 이때, 수신기에서 두 사용자의 채널 이득을 알고 있다고 가정한다. 설명의 편의를 위해 채널 이득 h1 > h2 및 전력 할당 P1 > P2를 갖는 상향링크 NOMA 전송에 대해 한 쌍의 두 사용자가 고려된다.where H is the received channel vector for each user hk=[h1,… ,hN] Channel matrix consisting of T , Pk is the transmission power, xk=[x1… ,xK] T is the received symbol vector, w is the AWGN noise vector at the receiver. At this time, it is assumed that the receiver knows the channel gains of the two users. For convenience of explanation, a pair of two users is considered for uplink NOMA transmission with channel gain h1 > h2 and power allocation P1 > P2.
제안된 MBM-NOMA에서 사용자(k)의 전송 비트는 b_k로 표시되며 여기서 brf는 RF 거울의 ON/OFF 상태를 선택하는 반면 bsym은 M-ary 변조 심볼을 선택한다. 동일한 시간/주파수 RB에서 두 사용자는 서로 다른 전력 레벨을 사용하여 중첩된 신호로 데이터를 전송하는 것으로 간주된다. In the proposed MBM-NOMA, the transmission bit of user (k) is denoted by b_k, where brf selects the ON/OFF state of the RF mirror, while bsym selects the M-ary modulation symbol. In the same time/frequency RB, two users are considered to transmit data with overlapping signals using different power levels.
수신기에서 다중 수신 안테나 Nr은 중첩된 MBM-NOMA 신호(y)를 수신하는 데 사용되며 ML 기반 검출은 각 사용자의 신호를 디코딩하는 데 사용된다. NOMA에 이어, 먼저 높은 채널 이득 사용자의 신호는 원거리 사용자 또는 낮은 채널 이득 사용자 신호 사용자를 간섭으로 간주하여 디코딩된다. 근거리 사용자에 대한 ML 감지는 식 (2)와 같이 수행된다.In the receiver, multiple receive antennas Nr are used to receive the superimposed MBM-NOMA signals (y) and ML-based detection is used to decode each user's signal. Following NOMA, first the signal of a high channel gain user is decoded by considering the signal of a distant user or a low channel gain user as interference. ML detection for nearby users is performed as in equation (2).
<식 2><Equation 2>
도 2는 MBM-NOMA와 기존 NOMA의 BER 성능 비교를 나타낸 도면이다.Figure 2 is a diagram showing a comparison of BER performance between MBM-NOMA and existing NOMA.
원거리 사용자의 경우 디코딩된 신호가 y에서 차감되고 유사한 ML 연산이 이에 적용된다. 따라서 ML 탐지 방식은 가능한 모든 조합을 확인하므로 ML 탐지 방식을 사용하는 MBM-NOMA의 복잡성은 다른 추정 기법보다 많다. For remote users, the decoded signal is subtracted from y and similar ML operations are applied to it. Therefore, since the ML detection method checks all possible combinations, the complexity of MBM-NOMA using the ML detection method is greater than that of other estimation techniques.
그러나 ML 방식의 BER 성능은 전체 검색을 수행하므로 더 좋다. 또한, MBM-NOMA의 SIC 프로세스 동안 다른 사용자의 간섭으로 인해 높은 SNR 영역에서 오류 플로어를 피할 수 없다. 성능 분석을 위해 Nt=1 송신 안테나와 nrf=2 RF 거울을 사용하여 한 쌍의 두 사용자(K=2)를 고려하였다. However, the BER performance of the ML method is better because it performs a full search. Additionally, the error floor cannot be avoided in the high SNR region due to interference from other users during the SIC process of MBM-NOMA. For performance analysis, a pair of two users (K=2) was considered using Nt=1 transmit antenna and nrf=2 RF mirror.
도 2는 기존 NOMA와 제안된 MBM-NOMA의 BER 성능을 서로 다른 SNR에서 비교한 것이다. 기존 NOMA의 BER은 수신 신호의 SIC 기반 디코딩으로 인해 포화 상태를 나타낸다. SIC 과정에서와 같이 낮은 채널 이득 사용자의 신호는 높은 채널 이득 사용자에 대한 간섭으로 간주된다. 따라서 높은 SNR에서 BER은 포화 상태가 되며 이는 NOMA에서 일반적인 것이다. 또한 MBM-NOMA의 BER은 동일한 bpcu를 사용하는 기존 NOMA보다 작다.Figure 2 compares the BER performance of the existing NOMA and the proposed MBM-NOMA at different SNRs. The BER of existing NOMA shows saturation due to SIC-based decoding of the received signal. As in the SIC process, signals from low channel gain users are considered interference to high channel gain users. Therefore, at high SNR the BER becomes saturated, which is typical for NOMA. Additionally, the BER of MBM-NOMA is smaller than that of existing NOMA using the same bpcu.
기존 NOMA에서 전송당 비트 수는 log2(M)로 주어지고 MBM-NOMA의 경우 nrf+log2(M)로 주어진다. 따라서 MBM-NOMA에서 전송당 달성 가능한 비트 수는 RF 거울(미러) 수에 비례하므로, 미러 수를 늘리면 증가한다. 기존 NOMA에서는 추가 정보 비트를 전달하지 않고 변조된 기호에만 의존한다. 따라서 MBM-NOMA의 달성 가능한 전송 속도는 기존 NOMA보다 우수하다.In conventional NOMA, the number of bits per transmission is given as log 2 (M), and for MBM-NOMA, it is given as n rf +log 2 (M). Therefore, the number of bits achievable per transmission in MBM-NOMA is proportional to the number of RF mirrors (mirrors), so it increases as the number of mirrors increases. Existing NOMA does not carry additional information bits and relies only on modulated symbols. Therefore, the achievable transmission rate of MBM-NOMA is superior to that of conventional NOMA.
MBM-NOMA의 에너지 효율은 성공적인 데이터 복구, 즉 더 적은 BER 및 사용자 비율을 기반으로 계산할 수 있다. EE-MBM-NOMA = RTx/P_T로 주어질 수 있다. 여기서 RTx는 달성 가능한 전송 속도이고 PT는 PT=1로 간주되는 각 사용자의 총 정규화된 전력이다. 따라서 MBM-NOMA는 달성 가능한 높은 비율로 인해 기존 NOMA(예: EE-MBM-EE-NOMA>NOMA)보다 에너지가 효율적이다.The energy efficiency of MBM-NOMA can be calculated based on successful data recovery, i.e., less BER and user ratio. It can be given as EE-MBM-NOMA = RTx/P_T. Where RTx is the achievable transmission rate and PT is the total normalized power of each user, assuming PT=1. Therefore, MBM-NOMA is more energy efficient than conventional NOMA (e.g. EE-MBM-EE-NOMA>NOMA) due to the high achievable ratio.
본 발명에서는 스펙트럼과 에너지 효율성이 중요한 요구사항인 mMTC에 대해 새로운 업링크 MBM-NOMA 방식을 제안하였다. NOMA는 대규모 연결을 제공하는 반면 MBM은 RA의 다른 채널 페이딩 구현과 함께 RF 미러의 MAP을 사용하여 추가 정보 전송을 가능하게 한다. 결과는 MBM-NOMA가 BER, 달성 가능한 전송 속도 및 에너지 효율성 측면에서 기존 NOMA를 능가함을 보여준다.In the present invention, a new uplink MBM-NOMA method is proposed for mMTC, where spectrum and energy efficiency are important requirements. NOMA provides large-scale connectivity, while MBM uses MAP on RF mirrors along with other channel fading implementations on RA to enable additional information transmission. The results show that MBM-NOMA outperforms conventional NOMA in terms of BER, achievable transmission rate, and energy efficiency.
상술한 바와 같이, 본 발명은 대규모 기계 유형 통신(mMTC)을 위한 새로운 MBM(Media-Based Modulation) 지원 상향링크 NOMA(Non-orthogonal Multiple Access) 기술을 제시한다. 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)은 대규모 연결을 지원하는 반면 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)은 변조 기술로 높은 스펙트럼 및 에너지 효율성을 제공한다.As described above, the present invention presents a new Media-Based Modulation (MBM) supported uplink Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) technology for large-scale machine type communication (mMTC). Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) supports large-scale connections, while Media-based Modulation (MBM) is a modulation technology that provides high spectral and energy efficiency.
제안된 MBM-NOMA에서 사용자는 다중 무선 주파수(RF) 거울(미러)로 둘러싸인 단일 송신 안테나를 장착하고 기지국(BS)은 상향링크 NOMA 통신을 위한 다중 수신 안테나를 장착한다. MBM-NOMA 신호를 감지하기 위해 수신기에서 SIC(연속 간섭 제거)가 있는 ML(최대 가능성) 추정 기술이 사용된다. In the proposed MBM-NOMA, the user is equipped with a single transmit antenna surrounded by multiple radio frequency (RF) mirrors, and the base station (BS) is equipped with multiple receive antennas for uplink NOMA communication. To detect MBM-NOMA signals, maximum likelihood (ML) estimation technique with sequential interference cancellation (SIC) is used at the receiver.
제안된 MBM-NOMA의 성능을 BER(Bit Error Rate) 측면에서 분석하여 기존의 SIC 기반 NOMA 기법과 비교하였다. MBM-NOMA는 오류 성능, 달성 가능한 전송 속도 및 에너지 효율성 측면에서 기존 NOMA를 능가하는 것으로 나타났다.The performance of the proposed MBM-NOMA was analyzed in terms of BER (Bit Error Rate) and compared with the existing SIC-based NOMA technique. MBM-NOMA is shown to outperform conventional NOMA in terms of error performance, achievable transmission rate, and energy efficiency.
이와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.As such, a person skilled in the art to which the present invention pertains will understand that the present invention can be implemented in other specific forms without changing its technical idea or essential features. Therefore, the embodiments described above should be understood in all respects as illustrative and not restrictive. The scope of the present invention is indicated by the claims described below rather than the detailed description above, and all changes or modified forms derived from the meaning and scope of the claims and their equivalent concepts should be interpreted as being included in the scope of the present invention. do.
Claims (1)
각 사용자 단말은 상향링크 비직교 다중접속(Non-orthogonal Multiple Access, NOMA)에서 미디어 기반 변조(Media-based Modulation, MBM)를 통해 신호를 전송하되, RF(Radio Frequency) 거울의 ON/OFF 상태와 송신심볼을 송신정보로서 동시에 전송하고,
기지국은 최대우도방식(Maximum-Likelihood, ML) 검출기와 순차적 간섭제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 통해 각 사용자 단말에서 전송된 송신정보를 검출하되, 복수의 사용자에 대해 상기 기지국에 수신된 중첩 신호는 식 1과 같이 표현되는 것을 특징으로 하는
- 여기서 H는 각 사용자에 대해 수신된 채널 벡터 hk=[h1,…,hN]T로 구성된 채널행렬, Pk는 전송 전력, xk=[x1…,xK]T는 수신된 심볼 벡터, w는 수신기에서 AWGN 잡음 벡터임, 상기 기지국은 두 사용자의 채널 이득을 알고 있고, 채널 이득 h1 > h2 및 전력 할당 P1 > P2 임 -
비직교 다중접속 시스템.In transmitting information between a base station supporting multiple antennas and a plurality of user terminals equipped with a single transmission antenna,
Each user terminal transmits signals through media-based modulation (MBM) in uplink non-orthogonal multiple access (NOMA), and the ON/OFF status of the RF (Radio Frequency) mirror and Simultaneously transmit the transmission symbol as transmission information,
The base station detects transmission information transmitted from each user terminal through a maximum-likelihood (ML) detector and sequential interference cancellation (SIC), and overlapping signals received by the base station for multiple users Characterized by being expressed as Equation 1
- where H is the received channel vector for each user hk=[h1,… ,hN] Channel matrix consisting of T , Pk is the transmission power, xk=[x1… ,xK] T is the received symbol vector, w is the AWGN noise vector at the receiver, the base station knows the channel gains of both users, channel gains h1 > h2 and power allocation P1 > P2 -
Non-orthogonal multiple access system.
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| KR20200102826A (en) * | 2019-02-22 | 2020-09-01 | 한국전자통신연구원 | Method and apparatus for non-orthogonal uplink communications in communication system |
-
2021
- 2021-11-24 KR KR1020210163359A patent/KR102646781B1/en active IP Right Grant
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| KR20230076434A (en) | 2023-05-31 |
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