[논문 리뷰] Resource Allocation in NOMA based Fog Radio Access Networks

H. Zhang, Yu Qiu외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 03. 15.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성을 향상시키고 지연을 줄이기 위해 엣지 컴퓨팅과 캐싱을 통합한 비직교 다중접속(NOMA) 기반 퍼그 라디오 접근 네트워크(F-RAN) 아키텍처를 제안한다. 전력 할당을 비협력 게임으로 모델링하고, 하위채널 할당을 다대다 매칭 알고리즘을 통해 수행함으로써, F-AP당 30명의 F-UE와 하위채널당 q=2명의 사용자를 가진 밀도 높은 네트워크에서 OFDMA보다 최대 29% 높은 네트워크 유용도를 달성한다.

ABSTRACT

In the wake of growth in intelligent mobile devices and wide usage of bandwidth-hungry applications of mobile Internet, the demand of wireless data traffic and ubiquitous mobile broadband is rapidly increasing. On account of these developments, the research on fifth generation (5G) networks presents an accelerative tendency on a global scale. Edge computing draw lots of attention for reducing the time delay and improving the Quality of Service for the networks. While, fog radio access networks (F-RANs) is an emergent architecture, which takes full use of edge computing and distributed storing capabilities in edge devices. In this article, we propose an architecture of non-orthogonal multiple access (NOMA) based F-RANs, which has a strong capability of edge computing and can meet the heterogeneous requirements in 5G systems. NOMA with successive interference cancellation (SIC) is regarded as a critical multi-user access technology. In NOMA, more than one user can access the same time, code domain, and frequency resources. With assigning different power levels to multi-user and implementing SIC, multiple users detection can be achieved. In this article, we provide a description of the NOMA based F-RANs architecture, and discuss the resource allocation in that. We will focus on the power and subchannel allocation in consideration of using NOMA and the edge caching. Simulation results show that the proposed NOMA baesd F-RANs architecture and the resource management mechanisms can achieve the high net utility for the RANs.

연구 동기 및 목표

• 엄청난 모바일 및 IoT 기기의 증가로 인한 저지연, 고대역폭 5G 네트워크 수요를 충족시키기 위해.
• 기존 C-RAN에서의 프론트홀 용량과 지연 제한을 극복하기 위해 F-RAN에서 엣지 컴퓨팅과 분산 처리를 활용하여.
• NOMA를 SIC와 엣지 캐싱과 통합하여 F-RAN에서 스펙트럼 효율성을 향상시키고 이질적인 QoS 요구사항을 지원하기 위해.
• 공유 채널 간 간섭을 관리하면서 분산적이고 확장 가능한 방식으로 자원 할당을 최적화하여 네트워크 유용도를 극대화하기 위해.

제안 방법

• F-AP가 현지 신호 처리 및 캐싱을 수행하고, F-UE가 전력 도메인 다중접속을 통해 서비스를 받는 NOMA 기반 F-RAN 아키텍처를 제안한다.
• F-AP 간 비협력 게임으로 전력 할당을 모델링하여 간섭 제약 조건 하에서 개별 네트워크 유용도를 극대화한다.
• 하위채널 할당을 다대다 양면 매칭 게임으로 설정하여 각 하위채널에서 F-AP와 F-UE 간의 효율적 조합을 가능하게 한다.
• 낮은 계산 복잡도로 공정성과 시스템 성능를 균형 잡는 부분 최적 매칭 알고리즘을 구현한다.
• 동일한 하위채널을 공유하는 다수의 사용자를 채널 품질 기반으로 디코딩하기 위해 F-UE에서 순차적 간섭 제거(SIC)를 사용한다.
• F-AP와 F-UE에 엣지 캐싱을 통합하여 백홀 부하를 줄이고 콘텐츠 전달 속도를 향상시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 NOMA를 F-RAN에 효과적으로 통합하여 5G 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 향상시키고 대량의 연결을 지원할 수 있는가?
• RQ2 NOMA 기반 F-RAN에서 네트워크 유용도를 극대화하면서 사용자 간 간섭을 관리하기 위한 최적의 전력 할당 전략은 무엇인가?
• RQ3 분산형 F-RAN 환경에서 공정성과 시스템 처리량을 균형 잡기 위해 하위채널 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ4 다양한 네트워크 밀도 조건에서 제안된 NOMA 기반 F-RAN이 기존 OFDMA 대비 네트워크 유용도 측면에서 어느 정도 뛰어나게 되는가?

주요 결과

• 제안된 NOMA 기반 F-RAN 아키텍처는 특히 높은 사용자 부하를 가진 밀도 높은 환경에서 OFDMA보다 유의미하게 높은 네트워크 유용도를 달성한다.
• F-AP당 30명의 F-UE와 하위채널당 q=2명의 사용자를 가진 조건에서, 다중 사용자 다양성과 효율적인 스펙트럼 공유 덕분에 OFDMA 대비 29%의 네트워크 유용도 향상을 달성한다.
• 하위채널당 사용자 수를 q=2에서 q=3으로 증가시킴으로써 네트워크 유용도가 더욱 향상되며, 이는 더 높은 사용자 다중접속 이득에 따른 더 나은 자원 활용도를 시사한다.
• F-AP 수가 증가함에 따라 NOMA 기반 F-RAN의 성능 향상이 가장 두드러지며, 5개의 F-AP를 초과하면 수익 감소 현상이 관찰된다.
• 하위채널 할당을 위한 다대다 매칭 알고리즘이 공정성과 시스템 효율성을 효과적으로 균형 잡으며, 낮은 복잡도로 최적 성능에 가까운 성능을 달성한다.
• 비협력 게임 기반 전력 할당은 안정적인 수렴을 보이며, 간섭 제어를 유지하면서도 개별 F-AP의 유용도를 향상시킨다.