다중 위성 NOMA 비정규 반복 슬롯 ALOHA 기반 IoT 네트워크

초록

본 논문은 NOMA‑IRSA 프로토콜을 적용한 위성 기반 IoT 시스템에서 다중 위성 수신기를 활용했을 때의 패킷 손실률과 에너지 효율을 분석한다. 온‑오프 페이딩 채널 모델을 고려한 하한식과 밀도 진화 기법을 통해 무한 프레임 길이에서의 디코딩 실패 확률을 도출하고, 시뮬레이션으로 유한 프레임 효과를 검증한다. 한 개의 추가 위성만으로도 PLR 감소와 η 향상이 크게 나타남을 확인한다.

상세 분석

이 연구는 6G 시대에 급증할 mMTC 디바이스를 위성 네트워크에 연결하기 위한 접근 방식으로, 기존 IRSA에 NOMA 기반 전력 다이버시티를 결합하고, 다중 위성을 수신기로 활용한다는 점에서 독창적이다. 주요 기술적 기여는 다음과 같다.

1. 시스템 모델링: 사용자는 IRSA 프로토콜에 따라 평균 ℓ̅개의 복제본을 프레임 내 n개의 슬롯에 무작위로 배치한다. 각 복제본은 강·약 두 단계의 전력 레벨(p₁=αP, p₂=(1‑α)P) 중 하나를 균등히 선택한다. 전력 레벨은 목표 SINR γ를 만족하도록 (1)식에 의해 설계되며, α는 피크 전력 P와 γ에 의해 결정된다.

2. 채널 모델: 온‑오프 페이딩(OOF) 채널을 적용해 각 사용자‑위성 링크가 독립적으로 erasure 확률 ε을 갖는다. 동일 사용자의 복제본은 동일한 채널 실현을 공유하지만, 서로 다른 위성에서는 독립적인 실현을 경험한다는 가정은 다중 수신기 간의 상관관계를 적절히 반영한다.

3. SIC 디코딩: 각 위성은 슬롯별로 SINR이 γ 이상이면 복제본을 즉시 디코딩하고, 성공 시 해당 복제본이 차지한 슬롯에서 다른 복제본들의 간섭을 제거한다. NOMA 특성상 강전력 복제본이 약전력 복제본을 먼저 잡아내고, 이후 약전력 복제본을 복구할 수 있는 ‘캡처 효과’를 활용한다.

4. 다중 수신기 성능 지표: 전체 시스템의 패킷 손실률 PLR(G)은 각 위성 j에서의 미디코딩 확률 Pr