A Multi-Dimensional Node Pairing Scheme for NOMA in Underwater Acoustic Sensor Networks

수중 음향 센서 네트워크에서 비직교 다중 접속을 위한 다차원 노드 페어링 기법

The interest in underwater acoustic sensor networks (UWASNs), along with the rapid development of underwater industries, has increased. To operate UWASNs efficiently, it is important to adopt well-designed medium access control (MAC) protocols that prevent collisions and allow the sharing of resources between nodes efficiently. On the other hand, underwater channels suffer from a narrow bandwidth, long propagation delay, and low data rate, so existing terrestrial node pairing schemes for non orthogonal multiple access (NOMA) cannot be applied directly to underwater environments. Therefore, a multi-dimensional node pairing scheme is proposed to consider the unique underwater channel in UWASNs. Conventional NOMA schemes have considered the channel quality only in node pairing. Unlike previous schemes, the proposed scheme considers the channel gain and many other features, such as node fairness, traffic load, and the age of data packets to find the best node-pair. In addition, the sender employs a list of candidates for node-pairs rather than path loss to reduce the computational complexity. The simulation results showed that the proposed scheme outperforms the conventional scheme by considering the fairness factor with 23.8% increases in throughput, 28% decreases in latency, and 5.7% improvements in fairness at best.

최근 해양 수중 산업의 발전으로 수중 센서 네트워크(UWASN: Underwater Acoustic Sensor Network)에 대한 관심이 증대되고 있다. 수중 센서 네트워크를 효율적으로 운용하기 위해서는 노드 간 전송 충돌을 방지하고 통신 자원을 효율적으로 공유할 수 있는 매체 접속 제어(MAC: Medium Access Control) 프로토콜을 적용하는 것이 매우 중요하다. 하지만 수중 채널은 지상 무선 통신 환경과 달리 좁은 대역폭, 긴 전파 지연 시간, 낮은 전송률 등의 특성을 가지므로 지상 환경에서 개발된 비직교 다중 접속(NOMA: Non Orthogonal Multiple Access)의 노드 페어링 기법을 그대로 적용할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 수중 채널의 특수성을 고려한 수중 음향 센서 네트워크에서의 비직교 다중 접속 다차원 노드 페어링 기법을 제안한다. 기존의 기법들은 노드 페어링 시 채널 품질만을 고려하였다. 기존 기법과 달리 제안 기법에서는 채널 품질 뿐 아니라 노드 간 공평성, 트래픽 부하, 패킷의 나이를 추가로 고려하여 최적의 노드 쌍(node-pair)을 찾는다. 추가적으로, 송신 노드는 실제 경로 손실 대신 노드 쌍 가능 노드 목록(PNL: Pairable Nodes List)을 활용함으로써 노드 페어링 시의 계산 복잡도를 줄인다. 시뮬레이션 결과에 따르면 공평성 요소까지 고려한 제안 기법이 기존 기법 대비 최대 23.8% 전송률 증가, 28% 지연 시간 감소, 공평성은 최대 5.7% 향상됨을 확인할 수 있었다.