제한된 사용자‑간 통신을 위한 협업 NOMA 프로토콜: 성능 분석 및 개선

본 논문은 비대칭 채널 환경에서 NOMA 기반 다운링크 통신을 수행하면서, 사용자 간 직접 연결이 물리적 장애나 약한 전송 조건으로 인해 사용할 수 없는 경우를 다룬다. 기존 연구들은 채널이 좋은 사용자를 DF 릴레이로 활용해 약한 사용자를 지원했지만, 사용자‑간 직통 링크가 없을 때는 이러한 방식이 적용되지 못한다. 이를 해결하기 위해 저자들은 AF 릴레이 R을 도입한 새로운 협업 NOMA 프로토콜을 설계하였다. 시스템 모델은 하나의 기지국(S), M개의 단일 안테나 사용자(D_i), 그리고 하나의 AF 릴레이(R)로 구성된다. 채널은 Rayleigh 블록 페이딩을 가정하고, 거리 기반 경로 손실 d_{XY}^θ 를 포함한다. 사용자들은 채널 이득 순서에 따라 정렬되며, 두 사용자를 임의로 선택해 페어링한다(예: D_m, D_n, ma_n, a_m+a_n=1) 으로 슈퍼포지션 신호 x_s를 전송한다. 2) 채널이 좋은 D_n은 먼저 약한 사용자 D_m의 신호 s_m을 복호화하고, SIC를 통해 자신의 신호 s_n을 추출한다. 이후 D_n은 s_m을 릴레이 R에 전송한다. 3) 릴레이 R은 수신 신호를 증폭하고 D_m에게 재전송한다. D_m은 BS→D_m 직접 링크와 R→D_m 릴레이 링크 두 신호를 선택 결합(SC)하여 최종 복호화한다. 수학적 분석에서는 각 단계에서 발생하는 SINR/ SNR을 정의하고, outage probability를 구한다. D_n의 outage는 s_m 복호화와 s_n 복호화 두 조건을 동시에 만족해야 하므로, P_n^out = 1 - Pr(γ_SDn→m ≥ γ_thm)·Pr(γ_SDn ≥ γ_thn) 로 표현된다. 순서 통계에 기반한 채널 이득의 PDF와 CDF를 이용해, 복합적인 다항식 형태의 폐쇄형 식 (11)을 도출한다. D_m의 경우, 직접 링크와 릴레이 링크 중 하나라도 성공하면 통신이 가능하므로, outage는 두 링크가 모두 실패할 때만 발생한다. 이를 식 (15) 로 전개하고, 릴레이 링크의 SNR γ_RDm 은 두 독립 채널 이득의 곱 형태로 나타난다. 복잡한 적분을 Bessel 함수 K_1 로 변환해 최종 폐쇄형 식 (14)를 얻는다. 시스템 throughput τ는 지연 민감 전송 모드에서 (1-P_n^out)R_n + (1-P_m^out)R_m 로 정의되며, 식 (19) 로 간단히 표현된다. 시뮬레이션 설정은 M=6, a_m=0.7, a_n=0.3, 전송 레이트 R_m=R_n=1 bit/s/Hz, 경로 손실 지수 θ=2 로 한다. 거리 파라미터 d_SDn, d_SDm, d_DnR, d_RDm 등을 변화시켜 OP와 throughput을 평가한다. 결과는 다음과 같다. 첫째, 거리 증가(특히 BS와 사용자, 릴레이와 사용자 간 거리)가 OP를 크게 상승시키고 throughput을 감소시킨다. 이는 경로 손실이 SNR을 감소시켜 outage을 유발하기 때문이다. 둘째, 릴레이 R을 사용함으로써 D_m의 OP가 현저히 낮아지며, 특히 긴 거리 상황에서 성능 향상이 두드러진다. 셋째, 사용자 페어링 인덱스 m, n을 크게 선택(즉, 채널 차이가 큰 사용자 쌍)하면, 파워 도메인 다중접속의 이점이 극대화되어 OP는 감소하고 throughput은 증가한다. 이는 NOMA가 채널 차이를 활용해 전력 할당을 최적화할 때 가장 큰 이득을 얻는다는 기존 이론과 일치한다. 논문의 주요 기여는 다음과 같다. (1) 사용자 간 직접 링크가 차단된 상황에서도 AF 릴레이를 활용한 실용적인 협업 NOMA 프로토콜을 제안하였다. (2) 두 사용자 각각에 대한 정확한 outage probability와 시스템 throughput의 폐쇄형 식을 유도하여, 설계 단계에서 손쉽게 성능을 예측할 수 있게 하였다. (3) 거리 및 사용자 페어링이 성능에 미치는 영향을 정량적으로 분석함으로써, V2X, IoT 등 고신뢰·저지연이 요구되는 미래 무선 네트워크에 적용 가능한 설계 지침을 제공하였다. 최종적으로, 제안된 프로토콜은 기존 협업 NOMA 대비 outage을 크게 감소시키고, 전반적인 스펙트럼 효율을 향상시켜 5G·6G 네트워크의 핵심 요구사항을 만족시킬 수 있음을 입증하였다.