[논문 리뷰] URLLC and eMBB Coexistence in MIMO Non-orthogonal Multiple Access Systems

Qimei Chen, Jiajia Wang외 1명|arXiv (Cornell University)|2021. 09. 13.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 동적 사용자 클러스터링, 저복잡도 사용자 선택을 위한 Gale-Shapley 매칭, 그리고 반복적 SCA/D.C. 프로그래밍 기반 전력 할당 알고리즘을 활용한 MIMO-NOMA 시스템에서 URLLC와 eMBB의 공존을 위한 공동 사용자 선택 및 전력 할당 방안을 제안한다. 이 방법은 eMBB 데이터 전송률을 최대화하면서도 URLLC 지연 요구사항을 충족시키며, 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 기준 방법보다 뛰어나다.

ABSTRACT

Enhanced mobile broadband (eMBB) and ultrareliable and low-latency communications (URLLC) are two major expected services in the fifth-generation mobile communication systems (5G). Specifically, eMBB applications support extremely high data rate communications, while URLLC services aim to provide stringent latency with high reliability communications. Due to their differentiated quality-of-service (QoS) requirements, the spectrum sharing between URLLC and eMBB services becomes a challenging scheduling issue. In this paper, we aim to investigate the URLLC and eMBB coscheduling/coexistence problem under a puncturing technique in multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) systems. The objective function is formulated to maximize the data rate of eMBB users while satisfying the latency requirements of URLLC users through joint user selection and power allocation scheduling. To solve this problem, we first introduce an eMBB user clustering mechanism to balance the system performance and computational complexity. Thereafter, we decompose the original problem into two subproblems, namely the scheduling problem of user selection and power allocation. We introduce a Gale-Shapley (GS) theory to solve with the user selection problem, and a successive convex approximation (SCA) and a difference of convex (D.C.) programming to deal with the power allocation problem. Finally, an iterative algorithm is utilized to find the global solution with low computational complexity. Numerical results show the effectiveness of the proposed algorithms, and also verify the proposed approach outperforms other baseline methods.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 상반된 QoS 요구사항을 가진 초고신뢰성 저지연 통신(URLLC)과 향상된 모바일 대역폭(eMBB) 서비스의 공존 문제를 해결하기 위해.
• MIMO-NOMA 시스템에서 엄격한 URLLC 지연 및 신뢰성 제약 조건을 충족시키면서도 eMBB 데이터 전송률을 최대화하기 위해.
• 동적 eMBB 사용자 클러스터링과 펄싱 기반 자원 공유를 통해 계산 복잡도를 감소시키고 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 게임 이론적 및 볼록 최적화 기법을 활용해 사용자 선택과 전력 할당을 공동 최적화하기 위해.

제안 방법

• 시스템 성능와 계산 복잡도의 균형을 고려한 동적 최대-최소 eMBB 사용자 클러스터링 메커니즘을 도입한다.
• 저복잡도와 안정된 매칭을 확보하기 위해 Gale-Shapley 매칭 알고리즘을 사용자 선택 문제 해결에 적용한다.
• 계속적인 볼록 근사(Successive Convex Approximation, SCA)와 볼록 함수의 차분(Difference of Convex, D.C.) 프로그래밍을 활용해 전력 할당 문제를 부분문제로 분해한다.
• SCA와 D.C. 프로그래밍을 통합한 반복 알고리즘을 개발하여 낮은 계산 비용으로 전역 최적해에 수렴한다.
• URLLC 사용자가 진행 중인 eMBB 전송의 특정 마이크로슬롯을 차단하는 펄싱 메커니즘을 활용한다.
• URLLC 펄싱으로 인한 eMBB 사용자 성능 저하를 정량화하기 위해 선형 손실 모델을 사용한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO-NOMA 시스템에서 eMBB 스펙트럼 효율성을 훼손시키지 않으면서 URLLC와 eMBB 서비스를 효율적으로 동시 스케줄링할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 URLLC-eMBB 공존을 위한 MIMO-NOMA 환경에서 시스템 성능와 계산 복잡도를 균형 잡는 사용자 클러스터링 전략은 무엇인가?
• RQ3 Gale-Shapley 매칭 알고리즘이 펄싱 처리가 이루어진 MIMO-NOMA 환경에서 사용자 선택 문제를 효과적으로 해결할 수 있는가?
• RQ4 비볼록 제약 조건 하에서 전력 할당을 최적화하여 eMBB 전송률을 극대화하면서도 URLLC 지연 요구사항을 충족시킬 수 있는가?
• RQ5 제안된 기법은 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 기준 방법 대비 어떤 성능 향상을 보이는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 기준 방법 대비 뚜렷한 스펙트럼 효율성 향상을 달성하였으며, 수치 결과를 통해 eMBB 데이터 전송률과 URLLC 신뢰성 측면에서 뛰어난 성능을 보였다.
• 동적 사용자 클러스터링 메커니즘이 높은 시스템 성능를 유지하면서도 계산 복잡도를 효과적으로 감소시켰다.
• Gale-Shapley 기반 사용자 선택은 안정적이고 저복잡도의 매칭을 달성하여 공정하고 효율적인 URLLC 액세스를 보장했다.
• 반복적 SCA 및 D.C. 프로그래밍 기반 전력 할당 알고리즘이 낮은 계산 비용으로 전역 최적해에 수렴하였다.
• 펄싱 메커니즘이 자원 재사용을 효율적으로 가능하게 하여 eMBB 전송률 저하를 최소화하면서도 URLLC 지연 제약 조건을 충족시켰다.
• 기존의 [7]번 논문과 같은 기법은 자원 활용도가 낮고 QoS 제약 조건을 간과하여 성능이 열 劣하다.