[논문 리뷰] Resource Management in Non-orthogonal Multiple Access Networks for 5G and Beyond

Lingyang Song, Yonghui Li외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 10. 29.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 11인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 5G 및 그 이상의 네트워크에서 비직교 다중접근(NOMA)를 위한 게임이론적 무선 자원 관리 프레임워크를 제안하며, 전력 도메인 및 코드 도메인 NOMA를 모두 다룹니다. 비협력, 협력, 매칭, 경쟁 제어 게임을 도입하여 사용자 쌍화, 전력 할당, 서브코드 할당을 최적화함으로써 고간섭 및 대량 연결 환경에서 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 크게 향상시킵니다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) schemes have been proposed for the next generation of mobile communication systems to improve the access efficiency by allowing multiple users to share the same spectrum in a non-orthogonal way. Due to the strong co-channel interference among mobile users introduced by NOMA, it poses significant challenges for system design and resource management. This article reviews resource management issues in NOMA systems. The main taxonomy of NOMA is presented by focusing on the following two categories: power-domain NOMA and code-domain NOMA. Then a novel radio resource management framework is presented based on game-theoretic models for uplink and downlink transmissions. Finally, potential applications and open research directions in the area of resource management for NOMA are provided.

연구 동기 및 목표

• 대량 사용자 액세스를 수반하는 5G 소셀 네트워크에서 공유 채널 간섭과 스펙트럼 효율성 문제를 해결한다.
• 제한된 스펙트럼을 가진 고밀도 사용자 환경에서 정규 다중접근(OMA)의 한계를 극복한다.
• 전력 도메인 및 코드 도메인 NOMA 모두에 대한 통합된 무선 자원 관리 프레임워크를 개발한다.
• 상행 및 하향 링크 NOMA 시스템에서 게임이론적 모델을 활용해 효율적이고 확장 가능하며 공정한 자원 할당을 가능하게 한다.
• 향후 네트워크 진화를 위한 개방된 연구 방향, 예를 들어 하이브리드 NOMA, MIMO-NOMA, 협동 NOMA, 인지 NOMA 등을 탐색한다.

제안 방법

• 상행 링크 NOMA에서 비협력 전력 제어 게임을 사용한 게임이론적 프레임워크를 제안하여 전력 할당과 사용자 그룹화를 최적화한다.
• 하향 링크 PD-NOMA에서 협동 게임을 적용하여 협력적 사용자 클러스터링과 서브코드 할당을 가능하게 한다.
• 하향 링크 CD-NOMA에서 매칭 게임을 사용하여 채널 품질 및 간섭 제약 조건에 기반한 효율적 사용자 쌍화를 수행한다.
• 상행 링크 CD-NOMA에서 경쟁 제어 게임을 활용하여 경쟁 창 크기를 동적으로 조정함으로써 충돌을 해결한다.
• 진화 게임을 도입하여 하이브리드 NOMA를 모델링하며, 채널 상태와 수익 극대화에 따라 사용자가 OMA 및 NOMA 모드를 전환하도록 한다.
• 협동 NOMA 및 인지 NOMA 시나리오에서 공동 전력 및 스펙트럼 할당을 위해 경매 게임과 스택엘베르크 게임을 활용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 게임이론적 모델은 어떻게 상행 및 하향 링크 NOMA 전송에서 전력 및 서브코드 할당을 최적화하는 데 효과적으로 적용될 수 있는가?
• RQ2 스펙트럼 효율성과 공정성을 극대화하기 위해 PD-NOMA 및 CD-NOMA에서 최적의 사용자 쌍화 및 그룹화 전략은 무엇인가?
• RQ3 순차적 간섭 제거(SIC)와 게임이론적 자원 조율을 통해 비직교 사용자 Multiplexing에 기인한 간섭은 어떻게 관리할 수 있는가?
• RQ4 채널 상태에 따라 OMA와 NOMA를 동적으로 전환하는 하이브리드 NOMA 시스템의 성능 향상 및 설계 과제는 무엇인가?
• RQ5 협동 및 인지 무선 원칙은 어떻게 NOMA와 통합되어 스펙트럼 효율성을 향상시키고 이질적인 QoS 요구 사항을 지원할 수 있는가?

주요 결과

• 비협력 및 협동 게임을 활용한 PD-NOMA에서의 게임이론적 자원 할당은 상행 및 하향 링크에서 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시킨다.
• CD-NOMA에서의 매칭 게임은 사용자 채널 품질과 자원 가용성 간의 정렬을 통해 효율적인 사용자 쌍화를 가능하게 하며, 간섭을 감소시키고 전송량을 증가시킨다.
• 상행 링크 CD-NOMA에서의 경쟁 제어 게임은 경쟁 창 크기를 반복적으로 조정함으로써 충돌 문제를 효과적으로 해결하여 액세스 성공률을 향상시킨다.
• 진화 게임 모델은 하이브리드 NOMA가 채널 이득과 수익 극대화에 기반해 각 사용자에게 최적의 다중접근 모드(OMA 또는 NOMA)를 동적으로 선택할 수 있음을 시사하며, 복잡성을 감소시키면서도 성능를 유지한다.
• 협동 NOMA에서 스택엘베르크 및 경매 게임은 릴레이를 경매 주최자로 모델링하고 소스를 입찰자로 간주함으로써 릴레이 기반 전송을 효율적으로 가능하게 하며, 전력 및 스펙트럼 할당을 최적화한다.
• 계약 게임을 활용한 인지 NOMA에서는 인centive-compatible 지급 메커니즘을 통해 주요 사용자와 보조 사용자 간의 협력을 가능하게 하여 스펙트럼 이용률과 간섭 제어를 향상시킨다.