KIPS Transactions on Computer and Communication Systems (정보처리학회논문지:컴퓨터 및 통신 시스템)

Korea Information Processing Society (한국정보처리학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

A New Incentive Based Bandwidth Allocation Scheme For Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access

협력 비직교 다중 접속 네트워크에서 새로운 인센티브 기반 주파수 할당 기법

  • Received : 2021.01.18
  • Accepted : 2021.02.15
  • Published : 2021.06.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

Non Orthogonal Multiple Access (NOMA) is a technology to guarantee the explosively increased Quality of Service(QoS) of users in 5G networks. NOMA can remove the frequent orthogonality in Orthogonal Multiple Access (OMA) while allocating the power differentially to classify user signals. NOMA can guarantee higher communication speed than OMA. However, the NOMA has one disadvantage; it consumes a more energy power when the distance increases. To solve this problem, relay nodes are employed to implement the cooperative NOMA control idea. In a cooperative NOMA network, relay node participations for cooperative communications are essential. In this paper, a new bandwidth allocation scheme is proposed for cooperative NOMA platform. By employing the idea of Vickrey-Clarke-Groves (VCG) mechanism, the proposed scheme can effectively prevent selfishly actions of relay nodes in the cooperative NOMA network. Especially, base stations can pay incentives to relay nodes as much as the contributes of relay nodes. Therefore, the proposed scheme can control the selfish behavior of relay nodes to improve the overall system performance.

비 직교 다중 접속(NOMA : Non Orthogonal Multiple Access) 기술은 5G 네트워크의 등장으로 폭발적으로 증가한 사용자의 QoS(Quality of Service)를 보장하기 위한 기술이다. 비 직교 다중 접속 기술은 기존의 직교 다중 접속(OMA : Orthogonal Multiple Access) 기술에서 주파수의 직교성을 없애고 다른 신호를 구분하기 위해 전력을 차등적으로 할당하는 기술이다. NOMA 기술 중 협력 NOMA 기술은 거리가 먼 사용자들에게 보내기 위해 많은 전력을 소모하는 것이 아닌 중계 노드에게 신호를 보내어서 중계 노드가 대신 NOMA를 수행하는 방법이다. 하지만, 협력 NOMA에서는 중계 노드가 협력 NOMA에 참여하는 동기가 반드시 필요하다. 이를 위해 기지국은 중계 노드에게 인센티브를 지급할 수 있지만 중계 노드가 기여한 만큼 공정하게 지급해야 한다. 이러한 인센티브 체계를 수립할 때 발생하는 문제점이 있는데 그것은 중계 노드가 자신의 기여를 속인다면 기지국 입장에서는 전체 시스템 성능도 하락할 뿐 아니라 높은 인센티브를 지급해야 한다는 것이다. 본 논문에서는 협력 NOMA 네트워크에 참여하는 중계 노드들이 이기적으로 행동하여 거짓된 정보를 보고하는 것을 방지하기 위해 메커니즘 디자인을 사용한 기법을 제안한다. 메커니즘 디자인 중 VCG메커니즘을 사용하여 중계 노드들의 이기적인 행동을 제어하고 전체 시스템 성능을 높일 수 있도록 하였다. 실험 결과로 중계 노드들이 이기적으로 행동했을 때의 전체 시스템 성능보다 VCG 메커니즘을 사용하여 모두가 진실하게 행동했을 때의 전체 시스템 성능이 증가함을 보였다.

Keywords

Acknowledgement

본 연구는 과학기술정보통신부 및 정보통신기획평가원의 대학ICT연구센터 지원사업의 연구결과로 수행되었음(IITP-2020-2018-0-01799).

References

  1. J. G. Andrews et al., "What Will 5G Be?," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol.32, No.6, pp.1065-1082, 2014. https://doi.org/10.1109/jsac.2014.2328098
  2. I. Koffman and V. Roman, "Broadband wireless access solutions based on OFDM access in IEEE 802.16," IEEE Communications Magazine, Vol.40, No.4, pp.96-103, 2002. https://doi.org/10.1109/35.995857
  3. L. Dai, B. Wang, Y. Yuan, S. Han, C. I, and Z. Wang, "Nonorthogonal multiple access for 5G: solutions, challenges, opportunities, and future research trends," IEEE Communications Magazine, Vol.53, No.9, pp.74-81, 2015. https://doi.org/10.1109/MCOM.2015.7263349
  4. Y. Saito, Y. Kishiyama, A. Benjebbour, T. Nakamura, A. Li, and K. Higuchi, "Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) for Cellular Future Radio Access," 2013 IEEE 77th Vehicular Technology Conference (VTC Spring), Dresden, pp.1-5, 2013.
  5. H. Haci and H. Zhu, "Performance of non-orthogonal multiple access with a novel interference cancellation method," 2015 IEEE International Conference on Communications (ICC), London, pp.2912-2917, 2015.
  6. M. Zeng, W. Hao, O. A. Dobre, and Z. Ding, "Cooperative NOMA: State of the Art, Key Techniques, and Open Challenges," IEEE Network, Vol.34, No.5, pp.205-211, 2020. https://doi.org/10.1109/mnet.011.1900601
  7. L. Hurwicz, and S. Reiter, "Designing Economic Mechanisms," Cambridge, UK: Cambridge University Press, 2006.
  8. A. Karlin, and Y. Peres, "Game Theory, Alive," U.S.A: American Mathematical Society, 2017.
  9. Z. Ding, Z. Yang, P. Fan, and H. V. Poor, "On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems with Randomly Deployed Users," IEEE Signal Processing Letters, Vol.21, No.12, pp.1501-1505, 2014. https://doi.org/10.1109/LSP.2014.2343971
  10. Z. Ding, H. Dai, and H. V. Poor, "Relay Selection for Cooperative NOMA," IEEE Wireless Communications Letters, Vol.5, No.4, pp.416-419, 2016. https://doi.org/10.1109/LWC.2016.2574709
  11. M. Hadi and R. Ghazizadeh, "Resource Allocation in OMA-NOMA based Two-Tier Heterogeneous Networks," 2020 8th Iranian Joint Congress on Fuzzy and intelligent Systems (CFIS), Mashhad, Iran, pp.1-6, 2020.
  12. M. A. Khan, S. Pal, and A. Jose, "BER Performance of BPSK, QPSK & 16 QAM with and without using OFDM over AWGN, Rayleigh and Rician Fading Channel," International Journal of Advanced Research in Computer and Communication Engineering, Vol.4, pp.64-69, 2015.
  13. M. S. Ali, H. Tabassum, and E. Hossain, "Dynamic User Clustering and Power Allocation for Uplink and Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Systems," IEEE Access, Vol.4, pp.6325-6343, 2016. https://doi.org/10.1109/ACCESS.2016.2604821
  14. R. Jain, W. Hawe, and D. Chiu, "A Quantitative measure of fairness and discrimination for resource allocation in Shared Computer Systems," DEC-TR-301, 1984.