[논문 리뷰] Resource Allocation in Full-Duplex Mobile-Edge Computing Systems with NOMA and Energy Harvesting

Zhaohui Yang, Jiancao Hou외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 07. 31.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 전체 이중성 모바일 에지 컴퓨팅 시스템에 Noma와 에너지 수확 기술을 통합하여 총 시스템 에너지 소비를 최소화하는 자원 할당 프레임워크를 제안한다. 비볼록 문제를 반복적 전력 모델링을 통해 등가의 볼록 문제로 재구성함으로써, 저자들은 전력 제어, 시간 스케줄링, 계산 오프로딩을 공동 최적화하는 반복 알고리즘을 설계하여 기존 방법에 비해 뚜렷한 에너지 절감 효과를 달성한다.

ABSTRACT

This paper considers a full-duplex (FD) mobile-edge computing (MEC) system with non-orthogonal multiple access (NOMA) and energy harvesting (EH), where one group of users simultaneously offload task data to the base station (BS) via NOMA and the BS simultaneously receive data and broadcast energy to other group of users with FD. We aim at minimizing the total energy consumption of the system via power control, time scheduling and computation capacity allocation. To solve this nonconvex problem, we first transform it into an equivalent problem with less variables. The equivalent problem is shown to be convex in each vector with the other two vectors fixed, which allows us to design an iterative algorithm with low complexity. Simulation results show that the proposed algorithm achieves better performance than the conventional methods.

연구 동기 및 목표

• 사용자 배터리 제약로 인한 에너지 소비 및 스펙트럼 효율성 한계를 해결하기 위해.
• 전체 이중성(FD) 운영, 비직교 다중접근(NOMA), 에너지 수확(EH)을 하나의 MEC 프레임워크에 통합하여 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 전력 제어, 시간 스케줄링, 계산 오프로딩의 공동 최적화를 통해 총 시스템 에너지 소비를 최소화하기 위해.
• 유도된 비볼록 최적화 문제를 효율적으로 해결하기 위한 저복잡도 반복 알고리즘 개발하기 위해.

제안 방법

• 상향링 사용자 전력이 시간, 기지국 전력, 오프로드된 데이터의 함수로 표현될 수 있도록 반복적 방법을 사용하여 원래의 비볼록 문제를 변수 수가 적은 등가 문제로 재구성한다.
• 기타 두 변수가 고정되어 있을 때 각각 전력, 시간, 데이터 변수에 대해 등가 문제의 볼록성을 증명함으로써 반복 최적화가 가능하도록 한다.
• 전력 벡터, 시간 벡터, 오프로딩 데이터 벡터를 번갈아 가며 최적화하는 반복 알고리즘을 설계하여 수렴성과 저복잡도를 보장한다.
• 각 그룹 내 다수의 사용자로부터 NOMA 다중접속 상향링 신호를 디코딩하기 위해 기지국에서 연속 간섭 제거(SIC)를 활용한다.
• 전체 이중성 기지국을 동시에 상향링 데이터 수신과 하향링 에너지 방출을 수행함으로써 사용자 운영을 지원하는 방식으로 모델링한다.
• 관점 함수 및 볼록성 분석을 적용하여 시간 및 데이터 변수에 대해 재구성된 문제의 볼록성을 입증함으로써 알고리즘의 안정성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 전체 이중성 운영을 NOMA와 에너지 수확과 효과적으로 융합하여 스펙트럼 및 에너지 효율성을 향상시킬 수 있는가?
• RQ2 이러한 시스템에서 총 시스템 에너지 소비를 최소화하기 위한 최적의 전력, 시간, 계산 오프로딩의 공동 할당은 무엇인가?
• RQ3 FD-MEC에서 NOMA와 EH를 적용한 비볼록 자원 할당 문제를 효율적으로 해결하기 위해 볼록 문제로 변환할 수 있는가?
• RQ4 제안된 알고리즘이 기존의 직교 다중접근(OMA) 및 비-FD 방법에 비해 어떤 성능 향상을 달성하는가?

주요 결과

• 제안된 반복 알고리즘은 기존 방법에 비해 더 낮은 총 에너지 소비를 달성하여, NOMA와 EH를 통합한 FD-MEC 시스템에서 뛰어난 에너지 효율성을 입증한다.
• 등가 문제의 공식화로 변수의 차원이 감소하여 교차 볼록 최적화를 통한 효율적 최적화가 가능해졌다.
• 채널 이득이 강하고 중간 정도로 강한 사용자들을 쌍으로 조합할 경우, 단지 가장 강한 사용자들만 조합하는 것보다 시스템 성능 향상이 뚜렷하다.
• 각 변수 집합에서 재구성된 문제의 볼록성은 반복 알고리즘의 수렴성과 저연산 복잡도를 보장한다.
• 시뮬레이션 결과는 제안된 방법이 고속 이동성 또는 고속도 데이터 전송 환경에서 특히 에너지 소비를 크게 감소시킴을 확인한다.