[논문 리뷰] Energy-Efficient Transmission Design in Non-Orthogonal Multiple Access

Yi Zhang, Hui‐Ming Wang외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 08.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 3인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 개별 사용자 데이터율 제약 조건 하에서 총 전력 소비 단위당 스펙트럼 효율을 최대화하는 다운링크 단일 안테나 시스템에서 비직교 다중접근(NOMA)을 위한 에너지 효율적인 전력 할당 전략을 제안한다. 비볼록 분수 프로그래밍 문제를 두 개의 하위문제로 분해하여 닫힌 형태의 표현식과 이분법 검색을 통해 해결함으로써, 사용자 간 채널 조건이 다양할 경우 기존의 직교 다중접근(OMA)에 비해 NOMA가 훨씬 높은 에너지 효율성을 달성할 수 있음을 입증한다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is considered as a promising technology for improving the spectral efficiency (SE) in 5G. In this correspondence, we study the benefit of NOMA in enhancing energy efficiency (EE) for a multi-user downlink transmission, where the EE is defined as the ratio of the achievable sum rate of the users to the total power consumption. Our goal is to maximize the EE subject to a minimum required data rate for each user, which leads to a non-convex fractional programming problem. To solve it, we first establish the feasible range of the transmitting power that is able to support each user's data rate requirement. Then, we propose an EE-optimal power allocation strategy that maximizes the EE. Our numerical results show that NOMA has superior EE performance in comparison with conventional orthogonal multiple access (OMA).

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 증가하는 에너지 소비 문제를 해결하기 위해 NOMA 시스템에서 에너지 효율(EE)을 최적화한다.
• 다중 사용자 다운링크 NOMA 시스템에서 총 전력 소비 대비 합계 데이터율의 비율(EE)을 최대화한다.
• 최소 데이터율 제약 조건을 통해 각 사용자의 품질보증(QoS) 요구사항을 충족시킨다.
• 실제 전력 및 데이터율 제약 조건 하에서 EE 최대화 문제로 인한 비볼록 분수 프로그래밍 문제를 해결한다.
• 다양한 사용자 배치 조건에서 NOMA가 기존의 OMA에 비해 에너지 효율성 측면에서 뛰어나다는 것을 입증한다.

제안 방법

• 에너지 효율(EE)을 총 전력 소비(송신 전력 + 회로 전력)에 대한 합계 데이터율의 비율로 정의하여, EE 최대화 문제를 비볼록 분수 프로그래밍 문제로 수식화한다.
• 전력 할당 계수에 대한 제약 조건을 이용하여 각 사용자의 최소 데이터율 요구 조건을 만족시키는 전력 할당 가능 범위를 유도한다.
• 주 문제를 두 개의 순차적 하위문제로 분해한다: 다변수 비볼록 최적화 문제(닫힌 형태의 해를 통해 해결)와 단변수 가짜볼록 최적화 문제(이분법을 통해 해결).
• 사용자 측에서 성공적 간섭 제거(SIC)를 적용하고, 기지국에서 순간적인 채널 상태 정보(CSI)가 정확히 제공된다고 가정한다.
• 최적성 증명과 전력 할당 계수의 닫힌 형태 표현식 유도를 위해 카루시-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 적용한다.
• 수학적 귀납법을 사용하여 총 전력 파rameter에 대한 최적 전력 할당의 단조성(증가성)을 증명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개별 데이터율 제약 조건이 있는 다중 사용자 다운링크 시스템에서 NOMA는 기존의 OMA보다 더 높은 에너지 효율을 달성할 수 있는가?
• RQ2 실제 제약 조건 하에서 EE 최대화를 위한 비볼록 분수 프로그래밍 문제는 어떻게 효과적으로 분해하고 해결할 수 있는가?
• RQ3 사용자 위치와 채널 이득 분포는 NOMA 시스템에서 달성 가능한 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 최적 전력 할당 전략은 최소 요구 데이터율과 채널 조건에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 채널 이득이 가장 높은 사용자가 전체 시스템 수준의 에너지 효율성 결정에 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 사용자가 기지국으로부터 다양한 거리에 위치할 경우, 특히 사용자가 기지국과 거리가 다른 경우, NOMA는 OMA보다 훨씬 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 채널 이득이 가장 높은 사용자(기지국에 가장 가까운 사용자)가 시스템 에너지 효율성의 주요 결정 요소가 되며, 이는 더 효율적인 전력 사용을 가능하게 한다.
• 사용자 1명이 가까이, 나머지 2명이 멀리 떨어져 있는 케이스 2는 평균 거리가 유사한 케이스 3(모든 사용자가 동일한 평균 거리)보다 성능이 뛰어나며, 이는 가장 강한 채널의 영향을 확인한다.
• 제안된 알고리즘은 두 개의 하위문제를 해결함으로써 효율적으로 수렴한다: 첫 번째 K₀명 사용자에 대한 닫힌 형태 해와 나머지 전력 할당에 대한 이분법 해.
• 최적 전력 할당 계수는 총 전력 파rameter에 대해 엄격히 증가하므로, 단조적이고 안정적인 수렴을 보장한다.
• 수치 결과는 고경로 손실 및 fading 환경을 포함한 모든 테스트 시나리오에서 NOMA가 뛰어난 EE 성능 유지를 확인한다.