각도 다이버시티 수신기를 활용한 NOMA 가시광선 통신 시스템: 분석 및 통찰

1. 서론

본 논문은 각도 다이버시티 수신기(ADR)로 강화된 비직교 다중 접속(NOMA) 가시광선 통신(VLC) 시스템을 연구한다. 다루는 주요 과제는 심볼간 간섭(ISI) 및 동일 채널 간섭(CCI)과 같은 요인으로 인해 기존 VLC 시스템이 높은 데이터 전송률을 제공하는 데 한계가 있다는 점이다. 제안된 시스템은 NOMA의 스펙트럼 효율성과 4-분기 ADR의 간섭 완화 및 신호 포집 능력을 결합하여 실내 환경에서 사용자 데이터 전송률을 극대화하는 것을 목표로 한다.

2. 시스템 모델

시스템은 8m × 4m × 3m 크기의 빈 방 내에서 모델링된다. 광 채널은 반사율 계수(ρ)가 0.8인 Lambertian 반사체로 모델링된 벽과 천장의 반사를 포함한다. 광 신호의 다중 경로 전파를 시뮬레이션하기 위해 광선 추적법이 사용된다.

2.1 방 및 채널 모델링

실내 채널 임펄스 응답은 가시선(LOS) 성분과 확산(반사) 성분을 모두 고려하여 계산된다. 반사 표면은 면적 dA의 작은 요소로 나뉜다. 검출기 면적 $A_{pd}$와 이득 $T_s(\psi)$를 가진 수신기에 대한 채널 DC 이득은 다음과 같이 주어진다:

$H(0) = \frac{(m+1)A_{pd}}{2\pi d^2} \cos^m(\phi) T_s(\psi) g(\psi) \cos(\psi)$ for $0 \le \psi \le \Psi_c$

여기서 $m$은 Lambertian 차수, $d$는 거리, $\phi$는 조사각, $\psi$는 입사각, $\Psi_c$는 수신기의 시야각(FOV)이다.

2.2 각도 다이버시티 수신기(ADR) 설계

ADR은 각각 다른 방향(예: 방 모서리 또는 특정 액세스 포인트)을 향한 네 개의 협시야각 광검출기로 구성된다. 이 설계는 수신기가 가장 강한 신호 대 잡음비(SNR)를 가진 분기를 선택하거나 신호를 결합할 수 있게 하여, 주변광, 다중 경로 분산 및 동일 채널 간섭의 영향을 효과적으로 감소시킨다.

2.3 NOMA 원리 및 전력 할당

NOMA는 송신기에서 전력 영역에서 다중 사용자 신호를 중첩하여 동작한다. 수신기에서는 연속 간섭 제거(SIC)를 사용하여 신호를 복호화한다. 전력은 채널 이득에 반비례하여 할당된다: 채널 조건이 더 좋은(신호가 더 강한) 사용자는 더 적은 전력을 할당받고, 조건이 더 나쁜 사용자는 공정성을 보장하기 위해 더 많은 전력을 할당받는다. 사용자 $i$의 달성 가능 전송률은 다음과 같다:

$R_i = B \log_2 \left(1 + \frac{P_i |h_i|^2}{\sum_{j>i} P_j |h_i|^2 + \sigma^2}\right)$

여기서 $B$는 대역폭, $P_i$는 사용자 $i$에 할당된 전력, $h_i$는 채널 이득, $\sigma^2$는 잡음 분산이다.

3. 시뮬레이션 결과 및 논의

ADR을 사용한 NOMA-VLC 시스템의 성능은 단일 광시야각 수신기를 사용하는 기준 시스템과 비교된다.

3.1 성능 비교: ADR 대 광시야각 수신기

핵심 결과는 ADR 기반 시스템이 광시야각 수신기 시스템 대비 35%의 평균 데이터 전송률 향상을 달성한다는 것이다. 이 이득은 ADR이 다른 송신기나 반사로부터의 간섭 성분을 제거하면서 더 강하고 덜 왜곡된 신호를 선택적으로 포집할 수 있는 능력에 기인한다.

3.2 데이터 전송률 분석 및 최적화

시뮬레이션은 ADR 분기 선택에서 도출된 사용자의 순간 채널 조건을 기반으로 사용자 간 자원(전력) 할당을 최적화하는 것을 포함한다. 이 최적화는 저자의 선행 연구 [36]의 접근법을 따라 사용자 공정성을 유지하면서 총 데이터 전송률을 최대화하는 것을 목표로 한다. 결과는 적응형 분기 선택과 NOMA 전력 할당의 결합이 스펙트럼 효율성을 크게 향상시킴을 보여준다.

4. 결론

본 논문은 VLC 시스템에서 각도 다이버시티 수신기와 NOMA를 통합하는 것이 간섭 및 제한된 대역폭과 같은 주요 한계를 극복하는 매우 효과적인 전략이라고 결론지었다. 4-분기 ADR은 신호 품질을 개선하고 NOMA를 통한 더 효율적인 다중 사용자 전력 할당을 가능하게 함으로써 데이터 전송률에서 상당한 이득을 제공한다. 이 연구는 차세대 광 무선 네트워크를 위한 비직교 다중화와 결합된 고급 수신기 설계의 잠재력을 검증한다.

5. 핵심 분석가 통찰

핵심 통찰: 이 논문은 단순한 미미한 개선이 아닌 전략적 전환점에 관한 것이다. 이 논문은 고밀도, 고용량 VLC의 병목 현상이 대부분의 연구가 집중하는 송신기(예: µLED 또는 레이저 다이오드)뿐만 아니라, 잡음이 많고 다중 경로 환경에서 신호를 식별하는 수신기의 능력에 결정적으로 달려 있음을 올바르게 지적한다. 비교적 단순한 4-분기 ADR에서 얻은 35%의 이득은 이 종종 간과되는 차원에 대한 강력한 증거이다.

논리적 흐름: 논증은 타당하다: 1) VLC는 간섭(CCI/ISI)으로 고통받는다, 2) ADR은 공간 필터링으로 간섭을 완화한다, 3) 더 깨끗한 신호는 더 공격적인 다중화(NOMA)를 가능하게 한다, 4) NOMA의 전력 영역 다중화는 스펙트럼 효율성을 향상시킨다. 표준화된 방 모델(IEEE 802.15.7r1 태스크 그룹에서 사용하는 것과 유사)에서의 시뮬레이션은 신뢰할 수 있는 검증을 제공한다.

강점 및 약점: 강점은 명확하고 정량화 가능한 이득을 위해 두 가지 성숙한 개념(다이버시티 수신과 NOMA)을 실용적으로 결합한 데 있다. 방법론은 견고하다. 그러나 약점은 ADR 모델의 단순성에 있다. 실제 ADR은 분기 상관관계, 증가된 하드웨어 복잡성, 빠르고 저전력 분기 선택 알고리즘의 필요성과 같은 과제에 직면하는데, 이러한 문제들은 단지 암시만 되었다. 적응 광학 또는 이미징 수신기를 사용하는 MIMO 기반 VLC에 관한 최첨단 연구(MIT 미디어 랩 또는 UC Berkeley의 BWRC 연구에서 보이는 것)와 비교할 때, 이 접근법은 더 즉시 배포 가능하지만 궁극적인 용량 한계가 더 낮을 수 있다.

실행 가능한 통찰: 산업 실무자에게 이 논문은 수신기 측 혁신에 투자할 수 있는 신호등이다. Li-Fi 또는 산업용 VLC 시스템의 제품 관리자는 다중 요소 수신기 통합을 우선시해야 한다. 연구자에게 다음 단계는 명확하다: 1) 동적이고 최적의 ADR 분기 선택 및 NOMA 사용자 페어링을 위한 기계 학습 연구. 2) 승산적 이득을 위한 파장 분할 다중화(WDM)와의 통합 탐구. 3) 이동 사용자를 대상으로 한 실제 환경 테스트를 통한 동적 성능 검증. 향후 VLC 표준에서 수신기 다이버시티를 무시하는 것은 중대한 과실이 될 것이다.

6. 기술적 세부사항 및 수학적 공식화

핵심 기술적 기여는 ADR 분기 선택과 NOMA 전력 할당의 공동 최적화이다. 사용자 $i$에 대한 ADR의 $k$번째 분기에서 수신된 신호는 다음과 같다:

$y_{i,k} = h_{i,k} \sum_{u=1}^{U} \sqrt{P_u} x_u + n_{i,k}$

여기서 $h_{i,k}$는 송신기에서 사용자 $i$의 $k$번째 분기까지의 채널 이득, $P_u$는 사용자 $u$의 신호 $x_u$에 할당된 전력, $n_{i,k}$는 부가 백색 가우시안 잡음이다. 수신기는 각 사용자 또는 복호화 단계에 대해 유효 SNR을 최대화하는 분기 $k^*$를 선택한다. 채널 이득 $|h_i|^2$를 가진 사용자에서의 SIC 과정은 채널 이득이 증가하는 순서로 신호를 복호화한다. 전력 할당 계수 $\alpha_i$ (여기서 $\sum \alpha_i = 1$, 그리고 $|h_i|^2 > |h_j|^2$이면 $\alpha_i < \alpha_j$)는 총 전력 제약 $P_T$ 하에서 총 전송률 $\sum R_i$를 최대화하도록 최적화된다.

7. 실험 결과 및 차트 설명

본 논문은 시뮬레이션 기반이지만, 설명된 결과는 주요 차트를 통해 시각화될 수 있다:

• 차트 1: 총 전송률 대 송신 전력: 이 차트는 ADR-NOMA 시스템과 광시야각-NOMA 기준 시스템에 대한 두 개의 곡선을 보여줄 것이다. 두 곡선 모두 전력에 따라 증가하지만, ADR 곡선은 더 가파른 기울기와 더 높은 정점을 보여주며, 전력 범위 전체에 걸친 35% 평균 이득을 명확히 보여준다.
• 차트 2: 사용자 전송률 분포: 방 내 개별 사용자가 달성한 데이터 전송률을 보여주는 막대 그래프 또는 누적 분포 함수(CDF). ADR 시스템은 더 조밀하고 높은 분포를 보여주며, 다양한 위치(특히 광시야각 수신기가 다중 경로로 인해 어려움을 겪는 벽 근처나 모서리)의 사용자에게 더 일관되고 향상된 서비스를 제공함을 나타낸다.
• 차트 3: 분기 선택 빈도: ADR의 네 분기 각각이 "최적" 분기로 선택되는 빈도를 나타내는 방 바닥의 히트맵. 이는 서로 다른 방 영역에서 서로 다른 분기가 최적이 되는 ADR의 적응적 특성을 시각적으로 입증할 것이다.

8. 분석 프레임워크: 사례 연구

시나리오: 20개의 워크스테이션이 있는 오픈 플랜 사무실을 위한 VLC 네트워크 설계.

프레임워크 적용:

1. 문제 분해: 링크 예산 분석을 다음으로 분리: (a) 송신기 전력 및 변조, (b) 채널 경로 손실 및 임펄스 응답(광선 추적법 사용), (c) 수신기 감도 및 시야각.
2. ADR 이득 정량화: 각 워크스테이션 위치에 대해 광시야각 수신기와 4-분기 ADR을 사용하여 수신 신호 강도 및 지연 확산을 시뮬레이션한다. ADR이 늦게 도착하는 반사를 제거하는 능력이 제공하는 잠재적 SNR 개선 및 ISI 감소를 계산한다.
3. NOMA 사용자 그룹화: ADR의 더 깨끗한 채널 추정으로 인해 더 뚜렷하고 신뢰할 수 있게 된 채널 이득 차이를 기반으로 사용자를 NOMA 쌍/그룹으로 클러스터링한다.
4. 시스템 수준 시뮬레이션: 사용자 활동 및 데이터 요구 사항을 변화시키는 몬테카를로 시뮬레이션을 실행한다. ADR-NOMA 시스템 대 광시야각 수신기를 사용한 기존 OFDMA-VLC 시스템에 대한 총 네트워크 처리량 및 5번째 백분위 사용자 전송률(공정성 지표)을 비교한다.

9. 미래 응용 및 연구 방향

• 6G Li-Fi 백홀/다운링크: ADR-NOMA VLC는 경기장, 공항 및 공장에서 RF를 보완하는 미래 6G 네트워크의 고밀도 다운링크에 적합한 후보이다. RF 간섭에 대한 저항력이 주요 장점이다.
• 초고신뢰성 산업용 IoT: 낮은 지연 시간과 신뢰성이 중요한 자동화 창고 또는 제조 라인에서 ADR은 기계 간 통신을 위한 견고한 링크를 제공할 수 있으며, NOMA는 대규모 센서 연결성을 지원한다.
• 수중 광 통신: 수중의 산란 환경은 심각한 다중 경로 시나리오와 유사하다. ADR은 자율 수중 차량을 위한 청색/녹색 레이저 통신의 거리와 신뢰성을 크게 향상시킬 수 있다.
• 연구 방향:
  • 지능형 ADR: 고정된 분기 대신 연속적이고 세밀한 각도 조정을 위한 마이크로 전자기계 시스템(MEMS) 또는 액정 기반 빔 조향 사용.
  • 크로스 레이어 최적화: 물리 계층 ADR 선택과 매체 접근 제어(MAC) 계층 스케줄링 및 NOMA 사용자 클러스터링의 공동 최적화.
  • 하이브리드 RF/VLC 시스템: ADR-NOMA VLC가 이기종 네트워크에서 mmWave 또는 sub-6 GHz RF와 지능형 트래픽 오프로딩을 통해 어떻게 원활하게 통합될 수 있는지 연구.

10. 참고문헌

1. Z. Ghassemlooy, W. Popoola, S. Rajbhandari, Optical Wireless Communications: System and Channel Modelling with MATLAB®, CRC Press, 2019. (VLC 채널 모델링 권위서)
2. L. Yin, 외, "Non-orthogonal multiple access for visible light communications," IEEE Photonics Technology Letters, vol. 28, no. 1, 2016. (NOMA-VLC의 시초 논문)
3. J. M. Kahn, J. R. Barry, "Wireless infrared communications," Proceedings of the IEEE, vol. 85, no. 2, 1997. (기초적 개론)
4. T. Fath, H. Haas, "Performance comparison of MIMO techniques for optical wireless communications in indoor environments," IEEE Transactions on Communications, vol. 61, no. 2, 2013. (다이버시티 기법 다룸)
5. IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks–Part 15.7: Short-Range Optical Wireless Communications, IEEE Std 802.15.7-2018. (관련 표준)
6. M. O. I. Musa, 외, "Resource Allocation in Visible Light Communication Systems," Journal of Lightwave Technology, 2022. (저자의 선행 연구, 참조 [36])
7. PureLiFi. "Li-Fi Technology." https://purelifi.com/ (VLC 상용화 산업 리더)
8. Z. Wang, 외, "Angle diversity receiver for MIMO visible light communications," Optics Express, vol. 26, no. 10, 2018. (특정 ADR 구현 연구)