[論文レビュー] Resource Allocation in NOMA based Fog Radio Access Networks

H. Zhang, Yu Qiu+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 15, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、エッジコンピューティングとキャッシュを統合することでスペクトル効率を向上させ、遅延を低減する非直交多重アクセス（NOMA）ベースのフレイズラジオアクセスネットワーク（F-RAN）アーキテクチャを提案する。電力割り当てを非協力的ゲームとしてモデル化し、サブチャンネル割り当てを多数対多数マッチングアルゴリズムで行うことで、1 F-APあたり30台のF-UEと1サブチャンネルあたりq=2ユーザーの密度の高いネットワークにおいて、OFDMAに比べ最大29%高いネットユーティリティを達成する。

ABSTRACT

In the wake of growth in intelligent mobile devices and wide usage of bandwidth-hungry applications of mobile Internet, the demand of wireless data traffic and ubiquitous mobile broadband is rapidly increasing. On account of these developments, the research on fifth generation (5G) networks presents an accelerative tendency on a global scale. Edge computing draw lots of attention for reducing the time delay and improving the Quality of Service for the networks. While, fog radio access networks (F-RANs) is an emergent architecture, which takes full use of edge computing and distributed storing capabilities in edge devices. In this article, we propose an architecture of non-orthogonal multiple access (NOMA) based F-RANs, which has a strong capability of edge computing and can meet the heterogeneous requirements in 5G systems. NOMA with successive interference cancellation (SIC) is regarded as a critical multi-user access technology. In NOMA, more than one user can access the same time, code domain, and frequency resources. With assigning different power levels to multi-user and implementing SIC, multiple users detection can be achieved. In this article, we provide a description of the NOMA based F-RANs architecture, and discuss the resource allocation in that. We will focus on the power and subchannel allocation in consideration of using NOMA and the edge caching. Simulation results show that the proposed NOMA baesd F-RANs architecture and the resource management mechanisms can achieve the high net utility for the RANs.

研究の動機と目的

• 大量のモバイル端末およびIoTデバイスに起因する低遅延・高スループットな5Gネットワークの需要増加に対応する。
• F-RANにおけるエッジコンピューティングと分散処理を活用することで、従来のC-RANにおけるフロントハール容量および遅延の制限を克服する。
• F-RANにNOMAとSIC、エッジキャッシュを統合することでスペクトル効率を向上させ、多様なQoS要件を満たす。
• 分散的かつスケーラブルな方法で共周波数干渉を管理しながら、ネットユーティリティを最大化するリソース割り当てを最適化する。

提案手法

• F-APが局所的な信号処理とキャッシュを実行し、F-UEが電力ドメイン多重化によりサービスを受けるNOMAベースのF-RANアーキテクチャを提案する。
• 干渉制約下で個々のネットユーティリティを最大化する目的で、F-AP間の非協力的ゲームとして電力割り当てをモデル化する。
• 1サブチャンネルあたりのF-APとF-UEの効率的ペアリングを可能にする、多数対多数の二面的マッチングゲームとしてサブチャンネル割り当てを定式化する。
• 計算複雑性が低く、公平性とシステム性能のバランスを取る部分最適なマッチングアルゴリズムを実装する。
• F-UEで逐次干渉キャンセレーション（SIC）を実行し、チャネル品質に応じて同じサブチャンネルを共有する複数ユーザーをデコードする。
• F-APおよびF-UEにエッジキャッシュを統合し、バックホール負荷を軽減するとともにコンテンツ配信速度を向上させる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 NOMAは、5Gネットワークにおけるスルーレット効率の向上と大規模接続のサポートを図るために、F-RANにどのように効果的に統合できるか。
• RQ2 NOMAベースのF-RANにおける最適な電力割り当て戦略は何か。これは、ネットユーティリティを最大化しながら、ユーザー間干渉を管理するものである。
• RQ3 分散型F-RAN環境において、公平性とシステムスルーレットのバランスを取るために、サブチャンネル割り当てをどのように最適化できるか。
• RQ4 さまざまなネットワーク密度下で、提案されたNOMAベースのF-RANは、従来のOFDMAに比べてどれほど高いネットユーティリティを達成するか。

主な発見

• 提案されたNOMAベースのF-RANアーキテクチャは、特に高ユーザー負荷の密度の高い展開において、OFDMAに比べ顕著に高いネットユーティリティを達成する。
• 1 F-APあたり30台のF-UEと1サブチャンネルあたりq=2ユーザーの場合、マルチユーザー多様性と効率的なスペクトル共有のおかげで、OFDMAに比べ29%のネットユーティリティ向上を達成する。
• 1サブチャンネルあたりのユーザー数をq=2からq=3に増加させることで、さらにネットユーティリティが向上し、より高いユーザー多重ゲインに起因するリソース利用効率の向上が示された。
• F-APの数が増加するにつれて、NOMAベースのF-RANの性能向上が顕著に現れるが、5 F-APを超えると利得の逓減が観察された。
• サブチャンネル割り当てのための多数対多数マッチングアルゴリズムは、公平性とシステム効率のバランスを効果的にとらえ、低複雑性で最適性能に近い結果を達成する。
• 非協力的ゲームに基づく電力割り当ては安定した収束を示し、個々のF-APのユーティリティを向上させつつ干渉制御を維持する。