[논문 리뷰] Resource Optimization and Power Allocation in In-band Full Duplex (IBFD)-Enabled Non-Orthogonal Multiple Access Networks

Mohammed S. Elbamby, Mehdi Bennis외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 17.

Full-Duplex Wireless Communications인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 리아푸노프 최적화를 사용하여 인밴드 풀디플렉스(IBFD) 및 비직교 다중접근(NOMA) 네트워크의 공동 사용자 연동, 모드 선택(HD/FD, OMA/NOMA), 전력 할당 프레임워크를 제안한다. 동적 간섭 및 큐 안정성 제약 조건 하에서 상향링크 및 하향링크 전송률은 각각 최대 63% 및 73% 향상되었으며, 셀 엣지 전송률은 각각 21% 및 17% 향상되었다.

ABSTRACT

In this paper, the problem of uplink (UL) and downlink (DL) resource optimization, mode selection and power allocation is studied for wireless cellular networks under the assumption of in-band full duplex (IBFD) base stations, non-orthogonal multiple access (NOMA) operation, and queue stability constraints. The problem is formulated as a network utility maximization problem for which a Lyapunov framework is used to decompose it into two disjoint subproblems of auxiliary variable selection and rate maximization. The latter is further decoupled into a user association and mode selection (UAMS) problem and a UL/DL power optimization (UDPO) problem that are solved concurrently. The UAMS problem is modeled as a many-to-one matching problem to associate users to small cell base stations (SBSs) and select transmission mode (half/full-duplex and orthogonal/non-orthogonal multiple access), and an algorithm is proposed to solve the problem converging to a pairwise stable matching. Subsequently, the UDPO problem is formulated as a sequence of convex problems and is solved using the concave-convex procedure. Simulation results demonstrate the effectiveness of the proposed scheme to allocate UL and DL power levels after dynamically selecting the operating mode and the served users, under different traffic intensity conditions, network density, and self-interference cancellation capability. The proposed scheme is shown to achieve up to 63% and 73% of gains in UL and DL packet throughput, and 21% and 17% in UL and DL cell edge throughput, respectively, compared to existing baseline schemes.

연구 동기 및 목표

• 인밴드 풀디플렉스(IBFD) 기반 기지국과 비직교 다중접근(NOMA)을 갖춘 고밀도 랜드셀룰러 네트워크에서 간섭과 스펙트럼 효율성 문제를 해결한다.
• 큐 안정성 제약 조건 하에서 상향링크 및 하향링크 자원 할당, 사용자 연동, 전송 모드 선택(HD/FD, OMA/NOMA)을 최적화한다.
• 동적 간섭 및 자기간섭 조건 하에서 시간 평균 네트워크 유틸리티를 최대화하기 위해 사용자 연동과 전력 할당을 공동으로 해결한다.
• 특히 고밀도 및 고_traffice 환경에서 스펙트럼 효율성과 사용자 공정성을 향상시키며, 셀 엣지 사용자에게도 기여한다.

제안 방법

• 리아푸노프 최적화 프레임워크를 사용하여 큐 안정성 제약 조건 하에서 네트워크 유틸리티 최대화(NUM) 문제로 문제를 수립한다.
• NUM 문제를 보조 변수 선택 및 전송률 최대화의 두 하위문제로 분해하며, 이들을 동시에 해결한다.
• 사용자 연동 및 모드 선택(UAMS) 문제를 쌍방향 안정성 보장을 갖춘 다대일 매칭 게임으로 모델링하고, 새로운 매칭 알고리즘을 통해 해결한다.
• 상향링크/하향링크 전력 최적화(UDPO) 문제를 볼록 근사화의 연속적 적용을 통해 CCCP(볼록-비볼록 절차)를 사용해 해결한다.
• NOMA 디코딩을 위한 연속 간섭 제거(SIC)를 통합하며, 채널 품질 및 간섭 수준에 따라 각 사용자별 전력 할당을 최적화한다.
• 자기간섭 제거 능력, 네트워크 밀도, 트래픽 부하에 기반하여 동적 모드 선택(FD 대비 HD, NOMA 대비 OMA)을 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 IBFD-NOMA 네트워크에서 스펙트럼 효율성을 극대화하기 위해 공동 사용자 연동, 전송 모드 선택(HD/FD, OMA/NOMA), 전력 할당을 어떻게 최적화할 수 있는가?
• RQ2 자기간섭 제거 능력은 IBFD-NOMA 시스템의 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 네트워크 밀도는 전송 모드(예: DL NOMA 대비 FD-OMA) 및 사용자 스케줄링의 최적 선택에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 기존의 하프디플렉스 및 직교 다중접근 기반 대비, 제안된 기법이 셀 엣지 사용자 전송률을 얼마나 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 큐 안정성 제약 조건 하에서 동적 모드 선택이 시간 변화하는 트래픽 조건에서 전체 시스템 전송률과 공정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 기준 기반 대비 최대 63% 높은 상향링크 패킷 전송률과 73% 높은 하향링크 패킷 전송률을 달성한다.
• 셀 엣지 사용자 전송률은 상향링크에서 21%, 하향링크에서 17% 향상되어 공정성과 신뢰성이 향상됨을 보여준다.
• 저밀도 네트워크에서는 협업 이득이 미미하지만, 밀도가 증가함에 따라 급격히 증가하여 14개의 소형 기지국에서 최대 55%의 전송률 향상을 기록한다.
• 네트워크 밀도가 증가함에 따라 간섭 증가로 인해 DL NOMA에서 FD 또는 HD-OMA로 전환되며, DL NOMA 사용이 감소한다.
• 낮은 자기간섭 제거 수준(예: 30 dB)에서도 시스템은 강건한 성능을 유지하며, 적응형 모드 전환을 통해 UL NOMA로 전환함으로써 FD-OMA 기준 대비 뛰어난 성능을 발휘한다.
• 고자기간섭 제거 능력(예: 110 dB)에서는 FD 모드가 더 자주 선택되며, UL NOMA 사용 빈도는 감소하여 시스템의 하드웨어 능력에 대한 적응성과 탄력성을 확인한다.