[논문 리뷰] Energy-Efficient Resource Allocation in NOMA Heterogeneous Networks

Haijun Zhang, Fang Fang외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 12인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 완벽한 및 불완전한 채널 상태 정보(CSI) 하에서 볼록 최적화를 사용하여 사용자 스케줄링과 전력 할당을 조합한 이단계 에너지 효율적 자원 할당 방식을 제안한다. 이 방식은 다운링크 5G 비동기 다중접속(NOMA) 이질적 네트워크에서 시스템의 에너지 효율성을 크게 향상시키며, 불완전한 CSI 하에서 등가 전력 할당 방식을 사용하는 OFDMA보다 최대 27% 높은 효율성을 달성한다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) has attracted much recent attention owing to its capability for improving the system spectral efficiency in wireless communications. Deploying NOMA in heterogeneous network can satisfy users' explosive data traffic requirements, and NOMA will likely play an important role in the fifth-generation (5G) mobile communication networks. However, NOMA brings new technical challenges on resource allocation due to the mutual cross-tier interference in heterogeneous networks. In this article, to study the tradeoff between data rate performance and energy consumption in NOMA, we examine the problem of energy-efficient user scheduling and power optimization in 5G NOMA heterogeneous networks. The energy-efficient user scheduling and power allocation schemes are introduced for the downlink 5G NOMA heterogeneous network for perfect and imperfect channel state information (CSI) respectively. Simulation results show that the resource allocation schemes can significantly increase the energy efficiency of 5G NOMA heterogeneous network for both cases of perfect CSI and imperfect CSI.

연구 동기 및 목표

• 5G NOMA 이질적 네트워크에서의 계층 간 간섭과 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 다운링크 NOMA 이질적 네트워크에서의 시스템 에너지 효율 향상을 위해 사용자 스케줄링과 전력 할당을 최적화하기 위해.
• 완벽한 및 불완전한 CSI 조건 하에서의 하위최적이지만 효율적인 자원 할당 방식을 개발하기 위해.
• 기존의 OFDMA 및 등가 전력 할당 방식에 비해 제안된 방식의 성능 향상을 평가하기 위해.

제안 방법

• 첫 번째로, 추정된 CSI를 통한 하위최적 사용자 스케줄링을 수행하며, 고채널 이득을 가진 매크로셀 사용자에게 우선순위를 부여하여 서브밴드에 할당한다.
• 서브밴드당 전력 할당을 최적화하기 위해 분수 전송 전력 할당(FTPA) 방식을 적용하여 간섭을 감소시키고 에너지 효율을 향상시킨다.
• 전력 할당 문제를 볼록 최적화 문제로 모델링하며, 기울기 보조 이진 탐색 알고리즘을 통해 최적 해에 수렴 보장이 가능한 해법을 제공한다.
• 각 소셀에 전용 서브밴드를 할당하는 서브밴드 할당 전략을 구현하여 소셀 간 간섭을 방지한다.
• 완벽한 및 불완전한 CSI 시나리오를 모두 고려하며, 채널 추정 오차 분산을 성능 평가의 핵심 매개변수로 삼는다.
• 동일한 서브밴드에 다중화된 다수의 사용자를 디코딩하기 위해 수신기에서 차등 간섭 제거(SIC)를 구현하여 NOMA의 스펙트럼 효율성 이점을 실현한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 완벽한 CSI 하에서 5G NOMA 이질적 네트워크에서 사용자 스케줄링과 전력 할당을 공동 최적화하여 에너지 효율을 극대화할 수 있는 방법은 무엇인가?
• RQ2 불완전한 CSI 하에서 제안된 방식의 성능 저하는 어떻게 발생하며, 기존 방식과 비교해 볼 때 어떤가?
• RQ3 다양한 수의 소셀을 가진 이질적 네트워크에서 NOMA는 OFDMA에 비해 에너지 효율 측면에서 얼마나 뛰어나게 되는가?
• RQ4 소셀의 수가 다양한 전력 할당 전략 하에서 시스템의 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 채널 추정 오차 분산이 0.05이고 소셀 수가 20일 경우, 제안된 NOMA 이질적 네트워크에서 FTPA 전력 할당 방식은 등가 전력 할당을 사용하는 OFDMA보다 최대 27% 높은 에너지 효율성을 달성한다.
• 소셀의 수가 증가할수록 에너지 효율성이 향상되며, 이는 NOMA 기반 자원 할당 방식의 확장성과 강건성을 시사한다.
• 완벽한 및 불완전한 CSI 조건을 포함한 모든 시험 환경에서 NOMA 이질적 네트워크는 OFDMA 이질적 네트워크를 일관되게 능가하는 에너지 효율성을 보인다.
• 하위최적 사용자 스케줄링과 FTPA 기반 전력 할당 방식은 전수 탐색에 비해 훨씬 낮은 계산 복잡도로 근사 최적 성능을 달성한다.
• 채널 추정 오차 분산이 증가할수록 시스템의 에너지 효율성이 저하되지만, 불완전한 CSI 하에서도 NOMA 방식은 여전히 OFDMA보다 열등하지 않다.