[논문]비직교 다중접속 사용자의 데이터 전송률 공정성 개선을 위한 전력 할당 기법

이인호

doi:10.6109/jkiice.2019.23.9.1117

비직교 다중접속 사용자의 데이터 전송률 공정성 개선을 위한 전력 할당 기법
Power Allocation to Improve Data-Rate Fairness of Non-orthogonal Multiple Access Users 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.9, 2019년, pp.1117 - 1122

이인호 (Department of Electrical, Electronic and Control Engineering, Hankyong National University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 하나의 기지국과 두 사용자를 갖는 하향링크 비직교 다중접속 시스템에서 사용자 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당 기법을 제안한다. 특히, 독립적인 레일레이 채널을 가정하여 평균 사용자 데이터 전송률의 공정성을 극대화하는 전력 할당 기법을 제안한다. 여기서, 공정성의 극대화는 사용자의 평균 데이터 전송률이 동일할 때 얻어진다. 따라서 공정성 평가를 위하여 평균 사용자 데이터 전송률과 총 평균 데이터 전송률의 근사식을 제시한다. 시뮬레이션 결과 분석을 통하여 유도한 평균 데이터 전송률의 근사식을 검증하고, 기존의 전력 할당기법들과 평균 사용자 데이터 전송률 결과를 비교하여 제안하는 기법이 공정성 측면에서 우수함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, a power allocation scheme is proposed to improve the fairness of user data rates in downlink non-orthogonal multiple access systems with one base station and two users. In particular, the power allocation scheme is presented to maximize the fairness of average user data rates assuming independent Rayleigh fading channels, where the fairness maximization is achieved when the average user data rates are equal. For the fairness evaluation, hence approximate expressions for the average user data rates and the average sum date rate of the proposed scheme are provided by using high signal-to-noise ratio approximation. Through simulation investigation, the derived approximate expressions for the average data rates are verified, and it is shown that the proposed scheme is superior to the conventional power allocation schemes in terms of the fairness of the average user data rates.

주제어

표/그림 (5)

그림 Fig. 1 A non-orthogonal multiple access system with two users
그림 Fig. 2 Average user data rates for the conventional and proposed power allocation schemes as well as the min-max fairness scheme when β₁ =2 and β₂ = 1.
그림 Fig. 3 Average user data rates for the conventional and proposed power allocation schemes as well as the min-max fairness scheme when β₁ = 10 and β₂ =1.
그림 Fig. 4 Average user data rates for the conventional and proposed power allocation schemes when β₁ = 10, β₂ = 1, and the conventional one is used with α₁ = 0.2, 0.4.
그림 Fig. 5 Average sum data rates for the conventional and proposed power allocation schemes as well as the min-max fairness scheme when β₂ = 1.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 높은 SNR 영역에 집중하여 평균 사용자 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당기법을 제안하였다. 제안하는 전력 할당 기법에 대한 평균 사용자 데이터 전송률과 총 평균 데이터 전송률의 근 사식을 제시하였고, 시뮬레이션 결과와 비교하여 제시하는 근사식을 검증하였다.
본 연구에서는 레일레이 채널 환경에서 두 사용자를 갖는 비직교 다중접속 시스템에 집중하여 사용자 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당 계수를 제안한다. 또한 제안한 전력 할당 기법에 대한 사용자데이터 전송률의 공정성과 총 데이터 전송률 평가를 위하여 평균 데이터 전송률 식을 유도한다.

가설 설정

또한 P는 기지국의 총 송신전력이고, ak는 User k의 데이터 신호에 할당된 전력 할당 계수이며, a1 +a2 = 1이고, a1 |h2|인 가정을 토대로 User 1에서 s2의 완벽한 간섭제거가 가능하다고 가정한다.
본 연구에서는 그림 1과 같이 비직교 다중접속 시스템에서 하나의 기지국과 두 사용자(User 1, User 2)간 하향링크 통신을 가정한다. 기지국과 사용자간 채널은 복소 가우시안 분포를 따르고, 각각 h₁와 h₂으로 표현한다.
따라서 |h₁|와 |h₂|은 레일레이 분포를 따른다. 본 연구에서는 비직교 다중접속 방식의 전력 할당을 적용하기 위하여 기지국과 사용자간 채널이 채널 크기에 따라 정렬되었다고 가정한다. 즉, |h₁|> |h₂|을 가정한다.
즉, |h1|> |h2|을 가정한다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 높은 SNR(ρ→∞)에서의 근사법을 이용하여 식 (5)와 식(6)을 전개하여 평균 사용자 데이터 전송률의 공정성 극대화를 위한 전력 할당 계수를 구한다.
또한 기존의 전력 할당 기법과 비교하여 높은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법이 우수한 데이터 전송률 공정성을 제공할 수 있음을 입증하였다. 본 논문에서 제안하는 기법은 높은 SNR 영역에서만 적용 가능하다. 따라서 낮은 SNR영역을 포함한 전체 SNR영역에서 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당 기법의 연구가 요구된다.
본 장에서는 Monte Carlo 시뮬레이션을 통해 III장에서 제시한 평균 데이터 전송률의 근사식을 검증하고, 기존의 전력 할당 기법들과 평균 데이터 전송률 성능을 비교한다. 기존의 전력 할당 기법으로, (i) 고정된 a₁을 이용하는 전력 할당 기법(Conventional Power Allocation,CPA), (ii) 최소-최대 공정성 기법(Min-Max Fairness, MMF)을 이용한다.

데이터처리

본 연구에서는 레일레이 채널 환경에서 두 사용자를 갖는 비직교 다중접속 시스템에 집중하여 사용자 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당 계수를 제안한다. 또한 제안한 전력 할당 기법에 대한 사용자데이터 전송률의 공정성과 총 데이터 전송률 평가를 위하여 평균 데이터 전송률 식을 유도한다. 시뮬레이션 결과와 수학적 분석 결과를 비교하여 유도한 평균 데이터 전송률 식을 검증하고, 기존의 최소 최대 공정성 기법과 제안한 기법의 평균 데이터 전송률 공정성을 비교하여 제안한 기법이 우월함을 입증한다.
본 논문에서는 높은 SNR 영역에 집중하여 평균 사용자 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당기법을 제안하였다. 제안하는 전력 할당 기법에 대한 평균 사용자 데이터 전송률과 총 평균 데이터 전송률의 근 사식을 제시하였고, 시뮬레이션 결과와 비교하여 제시하는 근사식을 검증하였다. 또한 기존의 전력 할당 기법과 비교하여 높은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법이 우수한 데이터 전송률 공정성을 제공할 수 있음을 입증하였다.

이론/모형

을 이용하는 전력 할당 기법(Conventional Power Allocation,CPA), (ii) 최소-최대 공정성 기법(Min-Max Fairness, MMF)을 이용한다. 여기서, MMF는 E[R₁]을 최소화하는 a₁을 이용하는 전력 할당 기법이다.

성능/효과

즉, User 1과 User 2의 평균 데이터 전송률이 유사해짐을 의미하고, 따라서 기존의 전력 할당 기법과 비교하여 공정성이 크게 개선됨을 보여준다. 그러나 낮은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법은 기존의 전력 할당 기법보다 더 큰 데이터 전송률 편차를 보인다. 따라서 제안하는 기법은 높은 SNR 영역에서만 적용이 가능하다.
SNR이 증가함에 따라 모든 전력 할당기법의 총 평균 데이터 전송률이 동일해짐을 알 수 있고, 높은 SNR에서 식(15)로부터 얻어진 근사값이 시뮬레이션 결과와 일치함을 알 수 있다. 그림 2-5의 결과로부터 높은 SNR에서 평균 사용자 데이터 전송률은 전력 할당기법에 영향을 받지만, 총 평균 데이터 전송률은 전력할당 기법에 영향을 받지 않음을 확인할 수 있다.
여기서, 범례의 PA는 전력 할당을 의미한다. 그림 2와 3의 결과로부터 CPA의 경우에 SNR이 증가함에 따라 User 1과 User 2의 평균 데이터 전송률의 편차가 증가하여 공정성이 저하됨을 알 수 있고, MMF의 경우에 SNR이 증가함에 따라 평균 데이터 전송률의 편차가 증가하지는 않지만 특정 편차가 존재함을 알 수 있다. 또한 β₁이 2에서 10으로 증가하면 두 전력 할당 기법(CPA, MMF)에 대한 평균 데이터 전송률의 편차가 커짐을 확인할 수 있다.
CPA는 작은 a₁를 이용할 때 평균 데이터 전송률의 편차를 줄여 공정성을 개선할 수 있지만, SNR이 증가할수록 심각해지는 공정성 문제는 해결할 수 없다. 따라서 사용자데이터 전송률의 공정성 측면에서 SNR이 증가할수록 제안하는 전력 할당 기법의 효율성은 증가한다.
그러나 낮은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법은 기존의 전력 할당 기법보다 더 큰 데이터 전송률 편차를 보인다. 따라서 제안하는 기법은 높은 SNR 영역에서만 적용이 가능하다. 그림 2와 3에서의 점선은 식(14)의 근사식으로부터 얻어진 결과이며, SNR이 증가함에 따라 시뮬레이션 결과와 일치한다.
또한 β1이 2에서 10으로 증가하면 두 전력 할당 기법(CPA, MMF)에 대한 평균 데이터 전송률의 편차가 커짐을 확인할 수 있다.
제안하는 전력 할당 기법에 대한 평균 사용자 데이터 전송률과 총 평균 데이터 전송률의 근 사식을 제시하였고, 시뮬레이션 결과와 비교하여 제시하는 근사식을 검증하였다. 또한 기존의 전력 할당 기법과 비교하여 높은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법이 우수한 데이터 전송률 공정성을 제공할 수 있음을 입증하였다. 본 논문에서 제안하는 기법은 높은 SNR 영역에서만 적용 가능하다.
또한 제안한 전력 할당 기법에 대한 사용자데이터 전송률의 공정성과 총 데이터 전송률 평가를 위하여 평균 데이터 전송률 식을 유도한다. 시뮬레이션 결과와 수학적 분석 결과를 비교하여 유도한 평균 데이터 전송률 식을 검증하고, 기존의 최소 최대 공정성 기법과 제안한 기법의 평균 데이터 전송률 공정성을 비교하여 제안한 기법이 우월함을 입증한다.
반면에 본 연구에서 제안하는 식(13)을 이용하는 전력할당 기법(Proposed PA)은 SNR이 증가함에 따라 평균 데이터 전송률의 편차가 매우 작아짐을 알 수 있다. 즉, User 1과 User 2의 평균 데이터 전송률이 유사해짐을 의미하고, 따라서 기존의 전력 할당 기법과 비교하여 공정성이 크게 개선됨을 보여준다. 그러나 낮은 SNR 영역에서 제안하는 전력 할당 기법은 기존의 전력 할당 기법보다 더 큰 데이터 전송률 편차를 보인다.

후속연구

따라서 낮은 SNR영역을 포함한 전체 SNR영역에서 데이터 전송률의 공정성을 개선하기 위한 전력 할당 기법의 연구가 요구된다. 또한 비직교 다중접속 시스템의 사용자 수가 증가할 때 공정성 유지를 위한 전력 할당 기법의 일반화 연구도 필요하다

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	사용자데이터 전송률의 공정성과 총 데이터 전송률 평가를 위한 방안은?	또한 제안한 전력 할당 기법에 대한 사용자데이터 전송률의 공정성과 총 데이터 전송률 평가를 위하여 평균 데이터 전송률 식을 유도한다. 시뮬레이션 결과와 수학적 분석 결과를 비교하여 유도한 평균 데이터 전송률 식을 검증하고, 기존의 최소 최대 공정성 기법과 제안한 기법의 평균 데이터 전송률 공정성을 비교하여 제안한 기법이 우월함을 입증한다.
	비직교 다중접속 방식이란?	비직교 다중접속 방식은 스펙트럼 효율 증대를 위한 방식으로, 상이한 전력을 갖는 다수의 데이터 신호를 동시에 전송한다[1,2]. 이처럼 전력 차원에서의 중첩 전송에 기반을 둔 비직교 다중접속 방식은 기존의 다양한 시스템에 적용되어 왔다[3-7].
	비직교 다중접속 시스템이 가진 문제점은?	대부분의 비직교 다중접속 방식 연구에서는 총 데이터 전송률 극대화에 집중해 왔다. 그러나 비직교 다중접속 시스템에서는 기지국과 다중 사용자간 비균일한 무선 채널 특성을 갖기 때문에 총 데이터 전송률의 극대화는 사용자 데이터 전송률의 공정성 저하를 초래할 수 있다. 이러한 공정성 문제를 해결하기 위하여 최소-최대 공정성(min-max fairness) 기법이 연구되었다[8].

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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