[논문]비직교 다중 접속 시스템에서 전송률 공정성을 위한 단순한 전력 할당 기법

Lee, In-Ho

doi:10.6109/jkiice.2020.24.9.1241

비직교 다중 접속 시스템에서 전송률 공정성을 위한 단순한 전력 할당 기법
Simple Power Allocation Scheme for Data Rate Fairness in NOMA Systems 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.9, 2020년, pp.1241 - 1244

Lee, In-Ho (School of Electronic and Electrical Engineering, Hankyong National University)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we consider a downlink non-orthogonal multiple access system with a base station and N mobile stations, where we assume that instantaneous channel state information (CSI) is available at the base station. A power allocation scheme is proposed to achieve perfect fairness, which means equal data rates for all mobile stations. However, the power allocation scheme using full CSI requires high complexity. Hence, a simple power allocation scheme with low complexity is proposed by using high signal-to-noise power ratio (SNR) approximation. The simple power allocation scheme can achieve perfect fairness only for high SNR. However, it needs only the best CSI and the simple procedure to obtain power allocation coefficients. From simulation results, we show that the simple power allocation scheme provides remarkable fairness performance at high SNR.

주제어

표/그림 (1)

그림 Fig. 1 Average rates of perfect fairness scheme and proposed scheme when β_n=1 for all n

AI 본문요약
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문제 정의

비직교 다중 접속 시스템에서 기지국은 시간 슬롯마다 파일럿 신호를 모든 단말기로 전송하고, 단말기는 수신한 파일럿 신호를 이용하여 자신의 하향링크 채널 상태를 추정한다. 그 다음, 각 단말기는 자신의 하향링크 채널 상태 정보를 기지국으로 보고한다. 기지국은 단말기로부터 보고된 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 각 단말기에 해당하는 데이터 신호의 전력 할당 계수를 결정하고, 각 단말기별로 결정된 전력 할당 계수가 적용된 데이터 신호를 합하여 시간슬롯마다 전체 단말기로 전송한다.
이처럼 전력 할당 기법은 완벽한 공정성을 얻을 수 있지만, 높은 복잡성을 유발한다. 그러므로, 본 논문에서 단순한 전력 할당 기법을 제안한다.
본 논문에서는 모든 단말기의 데이터 전송률의 공정성 성능을 향상시키기 위하여 모든 단말기에서 동일한 데이터 전송률을 얻기 위한 전력 할당 기법을 제안한다.
본 논문에서는 채널 상태 정보를 이용하는 하향링크비 직교 다중 접속 시스템에서 데이터 전송률의 공정성 향상을 위하여 복잡도가 낮은 전력 할당 기법을 제안하였다. 제안하는 전력 할당 기법은 복잡도가 낮은 대신 높은 신호대 잡음 전력비 구간에서만 데이터 전송률의 공정성을 보장할 수 있다.
본 논문에서는 하향링크 비직교 다중 접속 시스템에서 수신기의 데이터 전송률의 공정성 향상에 초점을 두어 복잡도가 낮은 전력 할당 기법을 제안한다. [2]에서는 순시 채널 상태 정보 없이 평균 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한 반면에 본 논문에서는 순시 채널 상태 정보를 이용하여 순시 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한다.
[2]에서는 순시 채널 상태 정보 없이 평균 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한 반면에 본 논문에서는 순시 채널 상태 정보를 이용하여 순시 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한다. 특히, 수신기 개수를 2로 한정한 [2]와 달리 본 논문은 수신기의 개수를 제한하지 않고 수신기 수에 따른 평균 데이터 전송률 성능을 평가한다.

가설 설정

본 논문에서 고려하는 비직교 다중 접속 전송을 위한 단말기별 전력 할당을 위하여  을 가정한다. 하향링크 비직교 다중접속 시스템에서 기지국은 각 단말기의 데이터 신호에 상이한 전력 할당 계수를 적용한 후 합하여 전송하기 때문에 n번째 단말기에서 수신되는 신호의 표현식은 다음과 같다.
비직교 다중 접속 시스템에서 기지국과 n번째 단말기 사이의 하향링크 채널은 _으로 표기하고, 이 채널 은 평균 0과 분산 _인 복소 가우시안 분포를 따른다고 가정한다. 따라서, _의 전력인 _^의 평균은 이다.
기지국은 단말기로부터 보고된 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 각 단말기에 해당하는 데이터 신호의 전력 할당 계수를 결정하고, 각 단말기별로 결정된 전력 할당 계수가 적용된 데이터 신호를 합하여 시간슬롯마다 전체 단말기로 전송한다. 여기서, 단말기에서의 채널 추정 오차는 없다고 가정하고, 채널 상태 추정 시점과 실제 데이터 신호가 전송되는 시점 사이의 시간지연에 따른 채널 변화는 없다고 가정한다.
기지국의 총 송신전력과 각 단말기의 잡음 전력은 각각 _ 와 ^으로 표기한다. 여기서, 잡음 전력은 모든 단말기에서 동일하다고 가정하고, 송신 신호대 잡음 전력비를 _^라고 하자.

제안 방법

[2]에서는 순시 채널 상태 정보 없이 평균 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한 반면에 본 논문에서는 순시 채널 상태 정보를 이용하여 순시 데이터 전송률의 공정성을 최대화하는 전력 할당 기법을 제안한다. 특히, 수신기 개수를 2로 한정한 [2]와 달리 본 논문은 수신기의 개수를 제한하지 않고 수신기 수에 따른 평균 데이터 전송률 성능을 평가한다.
본 논문에서는 하나의 기지국과 N개의 단말기를 갖는 하향링크 비직교 다중 접속 시스템을 고려한다. 여기서, 기지국과 모든 단말기는 하나의 송수신 안테나를 이용한다.

성능/효과

여기서, N=4일 때 와 의 평균 결과는 와 의 평균 결과 사이에 존재한다. 결과적으로 높은 신호대 잡음 전력 비 구간에서 복잡도가 낮은 Proposed scheme이 공정성 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
제안하는 전력 할당 기법은 복잡도가 낮은 대신 높은 신호대 잡음 전력비 구간에서만 데이터 전송률의 공정성을 보장할 수 있다. 특히, 제안하는 단순한 전력할당 기법은 일부의 채널 상태 정보만을 이용하기 때문에 채널 상태 정보의 피드백 오버헤드를 현저히 감소 시킬 수 있는 장점이 있다.
제안하는 전력 할당 기법은 복잡도가 낮은 대신 높은 신호대 잡음 전력비 구간에서만 데이터 전송률의 공정성을 보장할 수 있다. 특히, 제안하는 단순한 전력할당 기법은 일부의 채널 상태 정보만을 이용하기 때문에 채널 상태 정보의 피드백 오버헤드를 현저히 감소 시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서, 제안하는 기법은 상향링크 대역폭이 제한된 마이크로 셀 환경에서 전송률 공정성 보장을 위하여 이용될 수 있다.

후속연구

특히, 제안하는 단순한 전력할당 기법은 일부의 채널 상태 정보만을 이용하기 때문에 채널 상태 정보의 피드백 오버헤드를 현저히 감소 시킬 수 있는 장점이 있다. 따라서, 제안하는 기법은 상향링크 대역폭이 제한된 마이크로 셀 환경에서 전송률 공정성 보장을 위하여 이용될 수 있다.

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상세보기
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상세보기
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F. Fang, H. Zhang, J. Cheng, S. Roy, and V. C. M. Leung, "Joint user scheduling and power allocation optimization for energy efficient NOMA systems with imperfect CSI," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 35, no. 12, pp. 2874-2885, Dec. 2017.

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J. He, Z. Tang, Z. Tang, H. H. Chen, and C. Ling, "Design and optimization of scheduling and non-orthogonal multiple access algorithms with imperfect channel state information," IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 67, no. 11, pp. 10800-10814, Nov. 2018.

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