[논문 리뷰] Optimal Throughput Fairness Trade-offs for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access over Fading Channels

Hong Xing, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 20인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 퇴화 채널에서 두 사용자 다운링크 NOMA 시스템에 대한 최적의 전력 할당 전략을 제안하여 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 균형 잡는다. 완전한 및 부분적인 채널 상태 정보를 가정한 라그랑주 이중 분해를 통해 지연에 관용적인(에르고딕 합산율) 및 지연에 민감한(throughput) 전송에 대한 최적의 자원 할당을 도출하며, 공정성 제약 조건 하에서 OMA에 비해 NOMA가 합산율에서 우월함을 입증한다.

ABSTRACT

Recently, non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted considerable interest as one of the 5G-enabling techniques. However, users with better channel conditions in downlink communications intrinsically benefits from NOMA thanks to successive decoding, judicious designs are required to guarantee user fairness. In this paper, a two-user downlink NOMA system over fading channels is considered. For delay-tolerant transmission, the average sum-rate is maximized subject to both average and peak power constraints as well as a minimum average user rate constraint. The optimal resource allocation is obtained using Lagrangian dual decomposition under full channel state information at the transmitter (CSIT), while an effective power allocation policy under partial CSIT is also developed based on analytical results. In parallel, for delay-limited transmission, the sum of delay-limited throughput (DLT) is maximized subject to a maximum allowable user outage constraint under full CSIT, and the analysis for the sum of DLT is also performed under partial CSIT. Furthermore, an optimal orthogonal multiple access (OMA) scheme is also studied as a benchmark to prove the superiority of NOMA over OMA under full CSIT. Finally, the theoretical analysis is verified by simulations via different trade-offs for the average sum-rate (sum-DLT) versus the minimum (maximum) average user rate (outage) requirement.

연구 동기 및 목표

• 우수한 채널 조건을 가진 사용자가 순차적 간섭 제거를 통해 본질적으로 유리한 다운링크 NOMA 시스템에서 사용자 공정성을 해결하기 위해.
• 지연에 관용적인 전송을 위해 평균 및 최대 전력 제약 조건과 최소 평균 사용자 비율 제약 조건을 만족시키면서 평균 합산율을 최대화하기 위해.
• 지연에 민감한 전송을 위해 최대 사용자 아웃리지 제약 조건 하에서 지연 제한된 전송량의 합을 최대화하기 위해.
• NOMA의 우월성을 검증하기 위해 완전한 CSIT 하에서 최적의 OMA 기준선을 수립하기 위해.
• 완전한 CSIT에서 유도된 분석적 통찰을 기반으로 부분적인 CSIT 하에서 효과적인 전력 할당 정책을 개발하기 위해.

제안 방법

• 완전한 CSIT 하에서 지연에 관용적 및 지연에 민감한 시나리오 모두에 대해 최적의 전력 할당 문제를 해결하기 위해 라그랑주 이중 분해를 사용한다.
• 강한 이중성과 카르슈-쿠른-터커(Karush-Kuhn-Tucker, KKT) 조건을 활용하여 최적의 전력 할당에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 완전한 CSIT 해법에서 도출된 분석적 통찰을 기반으로 부분적인 CSIT 하에서 효과적인 전력 할당 정책을 제안한다.
• 시스템을 레이일라이 퇴화 및 순차적 간섭 제거를 가진 두 사용자 다운링크 NOMA 퇴화 채널로 모델링한다.
• 통계적 채널 상태 정보를 사용하여 NOMA 및 OMA의 에르고딕 합산율과 아웃리지 확률을 분석한다.
• 합산율(또는 합산-DLT)과 공정성 지표(최소 비율 또는 아웃리지) 간의 트레이드오프에 대한 이론적 분석 및 시뮬레이션 검증을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 퇴화 채널에서 최소 평균 사용자 비율을 확보하면서 합산율을 최대화하기 위해 두 사용자 다운링크 NOMA 시스템에서 최적의 전력 할당을 어떻게 설계할 수 있는가?
• RQ2 공정성 제약 조건이 적용될 때 NOMA가 OMA에 비해 합산율 측면에서 얼마나 높은 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 공정성 제약 조건이 있는 NOMA 시스템에서 부분적인 CSIT는 완전한 CSIT에 비해 시스템 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ4 공정성과 스펙트럼 효율성을 유지하면서 부분적인 CSIT 하에서 최적의 전력 할당 정책은 무엇인가?
• RQ5 NOMA 시스템에서 합산율과 사용자 공정성(최소 비율) 또는 아웃리지(지연 제한된 전송량) 간의 트레이드오프는 어떻게 행동하는가?

주요 결과

• 완전한 CSIT 하에서 최적의 NOMA 전력 할당은 동일한 공정성 제약 조건 하에서 OMA보다 높은 합산율을 달성하여 NOMA의 우월성을 입증한다.
• 지연에 관용적인 전송을 위한 최적의 전력 할당은 라그랑주 이중 분해를 통해 유도되며, 평균 및 최대 전력 제약 조건 하에서 타당성과 최적성을 보장한다.
• 지연에 민감한 전송을 위한 최적의 해법은 최대 사용자 아웃리지 제약 조건 하에서 지연 제한된 전송량의 합을 최대화하며, 아웃리지 확률 모델을 사용하여 분석적 해를 도출한다.
• 부분적인 CSIT 하에서 완전한 CSIT 최적 해에 가까운 높은 성능을 유지하는 효과적인 전력 할당 정책이 개발되었다.
• 이론적 분석은 공정성 제약 조건 하에서도 NOMA가 OMA보다 합산율에서 뛰어난 성능을 보임을 확인하였으며, 시뮬레이션 결과는 합산율과 최소 사용자 비율 또는 아웃리지 확률 간의 트레이드오프를 검증한다.
• NOMA 하에서의 에르고딕 비율에 대한 조각별 표현식이 아웃리지 및 비율 제약 조건을 기반으로 유도되었으며, 이는 전력 할당이 사용자 성능에 미치는 영향을 반영한다.