[논문 리뷰] Optimal Joint Power and Subcarrier Allocation for Full-Duplex Multicarrier Non-Orthogonal Multiple Access Systems

Yan Sun, Derrick Wing Kwan Ng외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 09.

Advanced Wireless Communication TechnologiesEngineering인용 수 21

한 줄 요약

이 논문은 가중치 합 통과량을 최대화하기 위해 풀드럭스 다대역 비직교 다중접속(FD-MC-NOMA) 시스템을 위한 최적의 동시 전력 및 서브케이너 할당 알고리즘을 제안한다. 단조 최적화를 활용하여 높은 스펙트럼 효율성과 공정성을 확보한 채 근사 최적 성능를 달성하며, 기존의 하프드럭스 직교 다중접속(HD-OMA) 시스템보다 뚜렷한 성능 향상을 보인다.

ABSTRACT

In this paper, we investigate resource allocation algorithm design for multicarrier non-orthogonal multiple access (MC-NOMA) systems employing a full-duplex (FD) base station (BS) for serving multiple half-duplex (HD) downlink (DL) and uplink (UL) users simultaneously. The proposed algorithm is obtained from the solution of a non-convex optimization problem for the maximization of the weighted sum system throughput. We apply monotonic optimization to develop an optimal joint power and subcarrier allocation policy. The optimal resource allocation policy serves as a system performance benchmark due to its high computational complexity. Furthermore, a suboptimal iterative scheme based on successive convex approximation is proposed to strike a balance between computational complexity and optimality. Our simulation results reveal that the proposed suboptimal algorithm achieves a close-to-optimal performance. Besides, FD MC-NOMA systems employing the proposed resource allocation algorithms provide a substantial system throughput improvement compared to conventional HD multicarrier orthogonal multiple access (MC-OMA) systems and other baseline schemes. Also, our results unveil that the proposed FD MC-NOMA systems achieve a fairer resource allocation compared to traditional HD MC-OMA systems.

연구 동기 및 목표

• 기존 하프드럭스 다대역 직교 다중접속(HD-MC-OMA) 시스템에서 스펙트럼 자원의 낭비를 해결한다.
• 풀드럭스(FD) 기지국을 통해 동시 상行 및 하행 전송을 가능하게 함으로써 기존 비직교 다중접속(NOMA) 시스템의 자원 할당 최적화 부족 문제를 해결한다.
• FD-MC-NOMA 시스템에서 가중치 합 시스템 통과량을 최대화하는 최적의 동시 전력 및 서브케이너 할당 정책을 설계한다.
• 높은 계산 복잡도에도 불구하고 전역 최적 해를 통해 FD-MC-NOMA 시스템의 성능 기준을 제공한다.
• 성능와 복잡도의 균형을 고려해, 차례로 볼수 있는 근사 최적화(Successive Convex Approximation) 기반의 저복잡도 비최적 반복 알고리즘을 제안한다.

제안 방법

• FD-MC-NOMA 시스템에서 동시 전력 및 서브케이너 할당을 고려한 가중치 합 통과량을 최대화하는 비볼록 최적화 문제를 수립한다.
• 단조 최적화 이론을 적용하여 비볼록 문제를 해결하고 전역 최적 자원 할당 정책을 유도한다.
• 라그랑주 스킴을 활용한 이중 문제 수식을 도입하고, 약한 이중성의 성질을 활용해 최적성 조건을 설정한다.
• 이중 변수에 대한 이중 함수의 단조성을 활용하여, 최적 조건에서 이중성 갭이 0임을 증명한다.
• 계산 복잡도를 낮추면서도 근사 최적 성능유지가 가능한, 차례로 볼수 있는 근사 최적화(Successive Convex Approximation, SCA) 기반의 비최적 반복 알고리즘을 제안한다.
• 원래의 비볼록 문제의 볼록 근사 문제를 반복적으로 풀어 타당성과 수렴성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 최적의 FD-MC-NOMA 시스템은 기존의 HD-MC-OMA 시스템 대비 최대 몇 퍼센트의 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있는가?
• RQ2 FD-MC-NOMA 시스템에서 동시 전력 및 서브케이너 할당은 시스템의 공정성과 통과량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 비최적 반복 알고리즘이 상당한 복잡도 감소를 이룰 수 있으며, 최적 해에 매우 가까운 성능를 달성할 수 있는가?
• RQ4 단조 최적화는 FD-MC-NOMA 시스템의 비볼록 자원 할당 문제 해결에 어떤 역할을 하는가?
• RQ5 자기 간섭과 동일 대역 간섭 존재가 FD-MC-NOMA 시스템의 자원 할당 설계에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 최적 자원 할당 정책은 기존의 HD-MC-OMA 시스템과 비최적 기준 대비 뚜렷한 시스템 통과량 향상을 달성한다.
• 차례로 볼수 있는 근사 최적화 기반의 비최적 반복 알고리즘은 최적 해에 매우 가까운 성능를 확보하여 실용적인 대안이 된다.
• 제안된 알고리즘을 적용한 FD-MC-NOMA 시스템은 기존의 HD-MC-OMA 시스템보다 더 공정한 자원 할당을 제공한다.
• 최적 해는 단조 최적화를 통해 도출되어 문제의 비볼록성에도 불구하고 전역 최적성을 보장한다.
• 최적 해 조건에서 이중성 갭이 0임을 증명하여 이중 기반 접근의 타당성을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 FD-MC-NOMA 시스템이 다중 사용자 다양성과 풀드럭스 작동을 활용해 스펙트럼 효율성을 뚜렷이 향상시킴을 확인한다.