[논문 리뷰] HARQ-CC Enabled NOMA Designs With Outage Probability Constraints

Yanqing Xu, Donghong Cai외 4명|arXiv (Cornell University)|2019. 11. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 25인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 엄격한 사용자 아웃리지 확률 제약 조건 하에서 평균 전송 전력을 최소화하기 위해 HARQ-CC 기반 NOMA 시스템에 적응형 전력 할당 방식을 제안한다. 성공적 순차적 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 방법과 사용자 쌍화 이론을 활용함으로써, 낮은 복잡도로 근사 최적 성능를 달성하며, 특히 엄격한 아웃리지 요구 조건에서 등가 전력 할당보다 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we aim to design an adaptive power allocation scheme to minimize the average transmit power of a hybrid automatic repeat request with chase combining (HARQ-CC) enabled non-orthogonal multiple access (NOMA) system under strict outage constraints of users. Specifically, we assume the base station only knows the statistical channel state information of the users. We first focus on the two-user cases. To evaluate the performance of the two-user HARQ-CC enabled NOMA systems, we first analyze the outage probability of each user. Then, an average power minimization problem is formulated. However, the attained expressions of the outage probabilities are nonconvex, and thus make the problem difficult to solve. Thus, we first conservatively approximate it by a tractable one and then use a successive convex approximation based algorithm to handle the relaxed problem iteratively. For more practical applications, we also investigate the HARQ-CC enabled transmissions in multi-user scenarios. The user-paring and power allocation problem is considered. With the aid of matching theory, a low complexity algorithm is presented to first handle the user-paring problem. Then the power allocation problem is solved by the proposed SCA-based algorithm. Simulation results show the efficiency of the proposed transmission strategy and the near-optimality of the proposed algorithms.

연구 동기 및 목표

• 기지국에서 통계적 CSI만 제공되는 조건 하에서 엄격한 사용자 아웃리지 확률 제약 조건 하에서 HARQ-CC 기반 NOMA 시스템의 평균 전송 전력 최소화 문제를 해결한다.
• 기지국에서 통계적 CSI만 제공되는 이중 사용자 및 다중 사용자 환경에서 아웃리지 확률 표현의 비볼록성 문제를 다룬다.
• 다중 사용자 NOMA 시스템에서 동시 사용자 쌍화 및 전력 할당 문제에 대해 저복잡도 솔루션을 개발한다.
• 낮은 지연 5G 및 그 이상의 시스템에 적용 가능성을 확보하기 위해, 제한된 재전송 라운드 수에서도 타이트한 아웃리지 확률 근사치를 제공한다.
• 모의 실험을 통한 검증을 통해 기존의 전력 할당 및 사용자 쌍화 전략에 비해 제안된 방식의 우수성을 입증한다.

제안 방법

• HARQ-CC 기반 NOMA 시스템에서 사용자의 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 아웃리지 확률에 대해 타이트한 근사치를 유도하여, 제한된 재전송 라운드 수에서도 정확도를 확보한다.
• 개별 사용자 아웃리지 제약 조건 하에서 평균 전력 최소화 문제를 수립하고, 보수적 근사치를 통해 비볼록 문제를 해석 가능한 형태로 변환한다.
• 유도된 최적화 문제를 반복적으로 해결하기 위해 성공적 순차적 근사(Successive Convex Approximation, SCA) 알고리즘을 적용하여 수렴성을 보장한다.
• 다중 사용자 환경에서는 매칭 이론을 활용해 사용자 쌍화 문제를 효율적으로 해결함으로써 계산 복잡도를 감소시키면서도 성능를 유지한다.
• 매칭 기반 사용자 쌍화와 SCA 기반 전력 할당을 융합하여 이중 단계 프레임워크를 통해 시스템 성능를 종합적으로 최적화한다.
• 최대 전송 전력 및 재전송 제한을 포함한 실제 채널 모델과 시스템 파rameter를 사용한 광범위한 시뮬레이션을 통해 제안된 알고리즘을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기지국에서 통계적 CSI만 제공되는 조건 하에서, 엄격한 사용자 아웃리지 확률 제약 조건 하에서 HARQ-CC 기반 NOMA 시스템의 평균 전송 전력을 어떻게 최소화할 수 있는가?
• RQ2 재전송 횟수와 아웃리지 요구 조건이 NOMA 시스템에서 적응형 전력 할당의 성능에 미치는 영향는 어떠한가?
• RQ3 다중 사용자 NOMA 환경에서 사용자 쌍화 및 전력 할당 문제를 효율적으로 해결하면서도 근사 최적 성능를 유지할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ4 특히 저지연 및 고신뢰성 요구 조건 하에서, 제안된 SCA 기반 알고리즘이 최적 해에 얼마나 가까이 근사하는가?
• RQ5 매칭 기반 사용자 쌍화 알고리즘의 정확도와 복잡도는 전수 검색 기반 방법과 비교해 어떻게 다른가?

주요 결과

• 제안된 SCA 기반 알고리즘은 이중 사용자 케이스에서 근사 최적 성능를 달성하며, 시뮬레이션 결과 전수 검색 방법과 밀접한 일치를 보였다.
• 이중 사용자 케이스에서 제안된 방식은 등가 전력 할당(EPA) 및 주파수 Division Multiple Access(FDMA) 방식보다 뛰어난 성능를 보였으며, 특히 엄격한 아웃리지 제약 조건(예: δ = 0.01)에서 두드러졌다.
• 사용자들이 엄격한 아웃리지 요구 조건(δ = 0.01)을 가질 경우, 최대 재전송 횟수(T)가 증가함에 따라 평균 전송 전력이 급격히 감소함을 확인하여 재전송의 유의미한 이점이 있음을 시사한다.
• 제안된 방식과 최적 전수 검색 간의 성능 격차는 매우 미미하며, K=12명의 사용자 및 δ=0.01일 경우 약 0.9%의 손실, δ=0.1일 경우 약 2.6%의 손실에 그쳐, 매칭 기반 사용자 쌍화 알고리즘의 높은 정확도를 입증한다.
• 아웃리지 요구 조건이 완화될수록(더 큰 δ 값) 제안된 방식과 EPA 간의 성능 격차가 감소함을 관찰하여, 고도의 정밀 전력 할당이 엄격한 신뢰성 요구 조건에서 가장 유의미한 이점을 제공함을 시사한다.
• SINR 아웃리지 확률에 대한 제안된 근사치는 소수의 재전송 라운드 수에서도 타이트한 근사치를 제공하여, 저지연 5G 및 그 이상의 응용 분야에 적합함을 입증한다.