[論文レビュー] Resource Optimization and Power Allocation in In-band Full Duplex (IBFD)-Enabled Non-Orthogonal Multiple Access Networks

Mohammed S. Elbamby, Mehdi Bennis+3 more|arXiv (Cornell University)|Jun 17, 2017

Full-Duplex Wireless Communications被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、リャプノフ最適化を用いて、帯域内フルデュプレックス（IBFD）および非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークにおける、共同ユーザー接続、モード選択（HD/FD、OMA/NOMA）、および電力割り当てフレームワークを提案する。動的干渉およびキュー安定性制約のもとで、上行リンクと下行リンクのスループットはそれぞれ最大63%および73%向上し、セルエッジスループットは21%および17%向上する。

ABSTRACT

In this paper, the problem of uplink (UL) and downlink (DL) resource optimization, mode selection and power allocation is studied for wireless cellular networks under the assumption of in-band full duplex (IBFD) base stations, non-orthogonal multiple access (NOMA) operation, and queue stability constraints. The problem is formulated as a network utility maximization problem for which a Lyapunov framework is used to decompose it into two disjoint subproblems of auxiliary variable selection and rate maximization. The latter is further decoupled into a user association and mode selection (UAMS) problem and a UL/DL power optimization (UDPO) problem that are solved concurrently. The UAMS problem is modeled as a many-to-one matching problem to associate users to small cell base stations (SBSs) and select transmission mode (half/full-duplex and orthogonal/non-orthogonal multiple access), and an algorithm is proposed to solve the problem converging to a pairwise stable matching. Subsequently, the UDPO problem is formulated as a sequence of convex problems and is solved using the concave-convex procedure. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme to allocate UL and DL power levels after dynamically selecting the operating mode and the served users, under different traffic intensity conditions, network density, and self-interference cancellation capability. The proposed scheme is shown to achieve up to 63% and 73% of gains in UL and DL packet throughput, and 21% and 17% in UL and DL cell edge throughput, respectively, compared to existing baseline schemes.

研究の動機と目的

• 帯域内フルデュプレックス（IBFD）基地局および非直交多重アクセス（NOMA）を備えた高密度セルラー網における干渉とスペクトル効率の課題に対処する。
• キュー安定性制約のもとで、上行リンクおよび下行リンクのリソース割り当て、ユーザー接続、および伝送モード選択（HD/FD、OMA/NOMA）を最適化する。
• 動的干渉および自己干渉状態下で、ユーザー接続と電力割り当てを共同で最適化し、時間平均ネットワークユーティリティを最大化する。
• 特に高密度および高トラフィック環境下でのスペクトル効率とユーザーの公平性、特にセルエッジユーザーの性能を向上させる。

提案手法

• リャプノフ最適化フレームワークを用いて、キュー安定性制約のもとでネットワークユーティリティ最大化（NUM）問題として問題を定式化する。
• NUM問題を2つの部分問題に分解する：補助変数選択とレート最大化であり、これらを併せて解く。
• ユーザー接続およびモード選択（UAMS）問題を、対称的安定性を保証する多数対1マッチングゲームとしてモデル化し、新規のマッチングアルゴリズムで解く。
• 上行リンク／下行リンク電力最適化（UDPO）問題を、凹凸凸手続き（CCCP）を用いた一連の凸近似により解く。
• NOMA復調のための逐次干渉キャンセレーション（SIC）を統合し、チャネル品質および干渉レベルに応じて各ユーザーごとに電力割り当てを最適化する。
• 自己干渉キャンセレーション能力、ネットワーク密度、トラフィック負荷に基づき、動的モード選択（FD対HD、NOMA対OMA）を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スペクトル効率を最大化するために、IBFD-NOMAネットワークにおけるユーザー接続、伝送モード選択（HD/FD、OMA/NOMA）、および電力割り当てをどのように共同最適化できるか？
• RQ2 自己干渉キャンセレーション能力が、IBFD-NOMAシステムの性能向上に与える影響は何か？
• RQ3 ネットワーク密度が、伝送モードの最適選択（例：DL NOMA 対 FD-OMA）およびユーザースケジューリングに与える影響は何か？
• RQ4 提案手法は、従来の半二重モードおよび直交多重アクセスベースラインと比較して、セルエッジユーザーのスループットをどの程度向上できるか？
• RQ5 キュー安定性制約のもとで動的モード選択が、時間変動するトラフィック条件下での全体的なシステムスループットおよび公平性に与える影響は何か？

主な発見

• 提案手法は、ベースライン手法と比較して、上行リンクパケットスループットを最大63%、下行リンクパケットスループットを最大73%向上する。
• セルエッジユーザーのスループットは上行リンクで21%、下行リンクで17%向上し、公平性および信頼性の向上が確認された。
• 低ネットワーク密度では協調利得が限定的であるが、密度が上昇するにつれて顕著に増大し、14の小型基地局を用いた場合、スループットで最大55%の向上が達成された。
• ネットワーク密度が上昇するにつれ、干渉が増加するため、システムはDL NOMAからFDまたはHD-OMAに移行し、DL NOMAの使用が減少する。
• 自己干渉キャンセレーションが低い場合（例：30 dB）でも、本手法は頑健な性能を維持し、適応的モード切り替えによりFD-OMAベースラインを上回る。
• 自己干渉キャンセレーションが高い場合（例：110 dB）にはFDモードがより頻繁に選択され、上行リンクNOMAの使用は減少するが、これは本手法のハードウェア能力への適応性を裏付けている。