KR102509406B1 - Hybrid User Pairing Method for Spectral Efficiency in Multiuser MISO-NOMA System With SWIPT - Google Patents
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Abstract
본 발명은 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 네트워크 자원을 효율적으로 할당하여 스펙트럼 효율을 높일 수 있도록 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법은 L개의 안테나를 가진 BS(Base Station)와, 상기 BS를 기준으로 반지름이 r인 첫 번째 구역(Zone-1)에 위치한 K개의 에너지 수신자 및 M개의 메시지 수신자와, 상기 첫 번째 구역(Zone-1)의 바깥에서 BS를 기준으로 반지름이 R인 두 번째 구역(Zone-2)에 위치한 N개의 메시지 수신자를 갖는 MISO-NOMA(Multiple User-Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 네트워크 시스템에서 스펙트럼 효율을 위한 자원할당과 사용자 쌍을 동시에 실시하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법으로서, (a) MISO-NOMA 네트워크 시스템의 자원할당과 사용자 쌍을 구성하기 위한 파라미터 초기값을 설정하는 단계와; (b) MISO-NOMA 네트워크 시스템의 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하고, Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자의 사용자 쌍을 최적화하는 파라미터 값을 반복하여 찾는 단계와; (c) 최적화된 사용자 쌍에 따른 네트워크 성능을 계산하여, 계산된 네트워크 성능과 최적화된 파라미터 값을 출력하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다. The present invention relates to a method for constructing a hybrid user pair capable of increasing spectrum efficiency by efficiently allocating network resources in a multi-user MISO-NOMA network system using SWIPT.
A hybrid user pair configuration method according to the present invention comprises a BS (Base Station) having L antennas, K energy receivers and M message receivers located in the first zone (Zone-1) having a radius r based on the BS And, MISO-NOMA (Multiple User-Multiple-Input Single-MISO-NOMA) having N message receivers located in the second zone (Zone-2) with a radius R based on the BS outside the first zone (Zone-1) Output Non-orthogonal Multiple Access) A hybrid user pair configuration method that simultaneously performs resource allocation for spectrum efficiency and user pair in a network system. setting a value; (b) iteratively finding a parameter value that optimally allocates limited network resources of the MISO-NOMA network system and optimizes a user pair of a message receiver in Zone-1 and Zone-2; (c) calculating network performance according to the optimized user pair and outputting the calculated network performance and optimized parameter values;
Description
본 발명은 MISO-NOMA 네트워크서의 스펙트럼 효율을 위한 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법에 관한 것으로, 특히 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 네트워크 자원을 효율적으로 할당하여 스펙트럼 효율을 높일 수 있도록 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a method for constructing a hybrid user pair for spectral efficiency in a MISO-NOMA network, and in particular, in a multi-user MISO-NOMA network system using SWIPT, a hybrid user that efficiently allocates network resources to increase spectral efficiency. It's about how to make a pair.
MISO-NOMA(multiple-input single-output non-orthogonal multiple access)는 다수의 사용자에게 동시에 서비스를 지원하기 위한 네트워크 기술로, 동일한 주파수를 다수의 사용자를 서로 다른 파워로 구분/할당하여 동시에 다수의 사용자에게 서비스를 지원하는 기술이다. 이러한 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서는 기존의 직교식 다중접속과 달리 슬롯(주파수, 시간 등)을 여러 사용자에게 다른 전송파워를 할당하여 동시에 전송하는 비직교식 다중접속을 이용함으로써, 한 번의 전송으로 다양한 사용자들에게 데이터를 전송할 수 있게 된다. MISO-NOMA (multiple-input single-output non-orthogonal multiple access) is a network technology for supporting multiple users at the same time. It divides/allocates the same frequency to multiple users with different powers to enable multiple users at the same time. It is a technology that provides services to In this MISO-NOMA network system, unlike the existing orthogonal multiple access, slots (frequency, time, etc.) are assigned different transmission power to multiple users and transmitted simultaneously by using non-orthogonal multiple access, which allows various users to transmit in one transmission. You can send data to them.
SWIPT(Simultaneously wireless information and power transfer)는 정보와 에너지를 동시에 전달하는 기술로, 수신된 신호 중 일부를 에너지 저장에 사용하고, 나머지는 데이터 전송에 사용하는 기술이다.Simultaneously wireless information and power transfer (SWIPT) is a technology for simultaneously transmitting information and energy, using some of the received signals for energy storage and the rest for data transmission.
한편, 이러한 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 자원은 제한적이기 때문에, 제한된 네트워크 자원을 효과적으로 할당하기 위해 최적화된 사용자 쌍을 찾는 방법이 요구되고 있다. Meanwhile, since resources are limited in a multi-user MISO-NOMA network system using such a SWIPT, a method for finding an optimized user pair to effectively allocate limited network resources is required.
본 발명은 종래 MISO-NOMA 네트워크에서의 자원 효율을 높이기 위하여 제안된 것으로서, 본 발명의 목적은 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크에서 제한된 사용자 쌍 최적화를 통하여 주파수 효율을 최대화함으로써 스펙트럼 효율을 높일 수 있도록 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법을 제공하는 데 있다. The present invention has been proposed to increase resource efficiency in a conventional MISO-NOMA network, and an object of the present invention is to maximize spectral efficiency through limited user pair optimization in a multi-user MISO-NOMA network using SWIPT to increase spectral efficiency. It is to provide a hybrid user pair configuration method that allows.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법은 L개의 안테나를 가진 BS(Base Station)와, 상기 BS를 기준으로 반지름이 r인 첫 번째 구역(Zone-1)에 위치한 K개의 에너지 수신자 및 M개의 메시지 수신자와, 상기 첫 번째 구역(Zone-1)의 바깥에서 BS를 기준으로 반지름이 R인 두 번째 구역(Zone-2)에 위치한 N개의 메시지 수신자를 갖는 MISO-NOMA(Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 네트워크 시스템에서 스펙트럼 효율을 위한 자원할당과 사용자 쌍 구성을 동시에 실시하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법으로서, MISO-NOMA 네트워크 시스템의 자원할당과 사용자 쌍을 구성하기 위한 파라미터 초기값을 설정하는 단계와; MISO-NOMA 네트워크 시스템의 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하고, Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자의 사용자 쌍을 최적화하는 파라미터 값을 반복하여 찾는 단계와; 최적화된 사용자 쌍에 따른 네트워크 성능을 계산하여, 계산된 네트워크 성능과 최적화된 파라미터 값을 출력하는 단계;를 포함하여 이루어진다.A hybrid user pair configuration method according to the present invention for achieving the above object is a BS (Base Station) having L antennas, and K energies located in the first zone (Zone-1) having a radius r based on the BS MISO-NOMA (Multiple- Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) A hybrid user pair configuration method that simultaneously performs resource allocation for spectrum efficiency and user pair configuration in a network system. Parameters for resource allocation and user pair configuration in the MISO-NOMA network system setting an initial value; Iteratively finding parameter values that optimally allocate limited network resources of the MISO-NOMA network system and optimize user pairs of message recipients in Zone-1 and Zone-2; and calculating network performance according to the optimized user pair and outputting the calculated network performance and optimized parameter values.
본 발명에 따르면, SWIPT를 이용한 MISO NOMA 네트워크 시스템에서 SCA-based iterative(Successive convex approximation-based low-complexity iterative: 연속적 볼록 근사화 기반 저복잡도 탐색) 알고리즘을 통하여 최적화된 사용자 쌍을 구성함으로써 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하고 메시지 수신자 쌍을 찾을 수 있는 효과가 있다. According to the present invention, in the MISO NOMA network system using SWIPT, limited network resources are saved by constructing an optimized user pair through an SCA-based iterative (Successive convex approximation-based low-complexity iterative: successive convex approximation-based low-complexity search) algorithm. This has the effect of optimally allocating and finding pairs of message recipients.
도 1은 본 발명에 적용되는 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크 시스템의 개념도,
도 2는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 최적의 자원할당 탐색 횟수 증가에 따른 주파수 효율 변화 일례,
도 3은 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 BS의 전송파워가 증가함에 따른 평균 주파수 효율의 변화 일례,
도 4는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 최소전송조건(R)이 증가함에 따른 평균 주파수 효율 변화 일례,
도 5는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 BS의 안테나 수 변화에 따른 평균 주파수 효율 변화 일례를 나타낸 것이다. 1 is a conceptual diagram of a multi-user MISO-NOMA network system using SWIPT applied to the present invention;
2 is an example of a change in frequency efficiency according to an increase in the number of optimal resource allocation searches in a MISO-NOMA network system;
3 is an example of a change in average frequency efficiency as the transmission power of a BS increases in a MISO-NOMA network system;
4 is an example of average frequency efficiency change as the minimum transmission condition (R) increases in the MISO-NOMA network system;
5 shows an example of a change in average frequency efficiency according to a change in the number of antennas of a BS in a MISO-NOMA network system.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명에 적용되는 SWIPT를 이용한 다중 사용자 MISO-NOMA 네트워크 시스템의 개념도를 나타낸 것이다. 1 shows a conceptual diagram of a multi-user MISO-NOMA network system using SWIPT applied to the present invention.
도 1에서와 같이, SWIPT를 이용한 다중 사용자 MU-MISO NOMA(Multiuser Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) 시스템은 가운데 L개의 안테나를 가진 BS(Base Station)를 기준으로 두 개의 구역으로 나누어져 있다. As shown in FIG. 1, the multiuser MU-MISO NOMA (Multiuser Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) system using SWIPT is divided into two zones based on the BS (Base Station) having L antennas in the middle is lost
첫 번째 구역(이하, 'Zone-1'이라 명칭한다)에는 K개의 에너지 수신자(EHk ∼EHK)와 M개의 메시지 수신자(ID(1) m∼ID(1) M)가 존재하는데, 이 Zone-1의 반지름은 r 이다. 그리고 두 번째 구역(이하, 'Zone-2'라 명칭한다)에는 N개의 메시지 수신자(ID(2) n∼ID(2) N)가 존재하는데, 이 Zone-2의 반지름은 R이고 Zone-1의 외곽에 위치한다.In the first zone (hereinafter referred to as 'Zone-1'), there are K energy receivers (EH k ∼ EH K ) and M message receivers (ID (1) m ∼ ID (1) M ). The radius of Zone-1 is r. And in the second zone (hereinafter referred to as 'Zone-2'), there are N message receivers (ID (2) n ∼ ID (2) N ), and the radius of this Zone-2 is R, and Zone-1 located on the outskirts of
이때, 본 발명에서는 제한된 네트워크 시스템 자원을 효과적으로 사용하기 위한 자원할당 알고리즘인 SCA-based iterative(Successive convex approximation-based low-complexity iterative: 연속적 볼록 근사화 기반 저-복잡도 탐색) 알고리즘을 제안하여, 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하는 값 및 Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자 쌍을 찾게 된다. 즉, 본 발명에서 제안하는 SCA-based iterative 알고리즘은 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 스펙트럼 효율을 극대화하기 위한 자원할당과 사용자 쌍을 동시에 실시하는 하이브리드 쌍 구성 방법을 제공하게 된다. At this time, the present invention proposes an SCA-based iterative (Successive convex approximation-based low-complexity iterative: low-complexity search based on contiguous convex approximation) algorithm, which is a resource allocation algorithm for effectively using limited network system resources, and limited network resources A value that optimally allocates and a pair of message recipients in Zone-1 and Zone-2 are found. That is, the SCA-based iterative algorithm proposed in the present invention provides a hybrid pair construction method for simultaneously performing resource allocation and user pairing to maximize spectral efficiency in a MISO-NOMA network system.
도 1에서, BS는 NOMA를 이용하여 Zone-1의 메시지 수신자 및 에너지 수신자와 Zone-2의 메시지 수신자에게 동시에 신호를 전송할 수 있다. 따라서 전송되는 메시지는 다음의 수학식 1과 같다. In FIG. 1, the BS can simultaneously transmit signals to message receivers and energy receivers of Zone-1 and message receivers of Zone-2 using NOMA. Therefore, the transmitted message is as shown in
여기서, 는 Zone-1의 m번째 메시지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴의 벡터로 L×1로 이루어져 있고, 는 Zone-2의 n번째 메시지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴의 벡터로 L×1로 이루어져 있다. 그리고, 는 Zone-1에 K개의 에너지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS의 사이의 빔포밍 벡터로 L×K의 크기를 갖는다. 또한, 과 은 메시지 신호로 크기는 , 이다. here, is the vector of the beamforming pattern between the m-th message receiver of Zone-1 and the BS with L antennas, and consists of L × 1, is a vector of beamforming patterns between the nth message receiver of Zone-2 and a BS having L antennas, and is composed of L×1. and, is a beamforming vector between K energy receivers in Zone-1 and a BS having L antennas and has a size of L×K. also, class is a message signal, the size of which is , am.
따라서, M개의 메시지 수신자 중 m번째 메시지 수신자, N번째 메시지 수신자중 n번째 메시지 수신자, 그리고 K개의 에너지 수신자가 BS로부터 받는 신호는 다음 수학식 2, 수학식 3, 수학식 4와 같다. Therefore, the signals received from the BS by the m-th message receiver among the M message receivers, the n-th message receiver among the N-th message receivers, and the K energy receivers are as follows:
여기서, 는 BS와 m번째 메시지 사용자(Zone-1) 사이의 채널 효율, 는 BS와 n번째 메시지 수신자(Zone-2) 사이의 채널효율, 는 BS와 k번째 에너지 수신자(Zone-1) 사이의 채널 효율이다. here, is the channel efficiency between the BS and the m-th message user (Zone-1), is the channel efficiency between the BS and the nth message receiver (Zone-2), is the channel efficiency between the BS and the kth energy receiver (Zone-1).
따라서, k번째 에너지 수신자의 수신되는 에너지는 다음 수학식 5와 같다. Therefore, the received energy of the k-th energy receiver is expressed in
여기서, 는 Zone-1과 Zone-2에 위치한 메시지 수신자들과 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴들의 벡터(2×L)로, 이다. here, Is a vector (2 × L) of beamforming patterns between message receivers located in Zone-1 and Zone-2 and a BS with L antennas, am.
이때, 수신된 에너지로부터 저장되는 에너지는 비선형이기 때문에, 저장되어서 k번째 사용자가 사용하는 에너지는 다음 수학식 6과 같다.At this time, since the energy stored from the received energy is nonlinear, the energy stored and used by the k-th user is as shown in
여기서, 이고, 는 최대로 에너지 수신자가 저장할 수 있는 에너지를 의미한다. 그리고 이다. here, ego, is the maximum energy that can be stored by the energy receiver. and am.
한편, m번째 메시지 수신자의 경우, 신호-대-간섭-잡음 비(SINR: Signal-to-interference-plus-noise ratio)는 다음 수학식 7과 같다. Meanwhile, in the case of the receiver of the mth message, the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) is expressed in Equation 7 below.
여기서, 이다. here, am.
그리고 n번째 메시지 사용자의 경우, SINR은 다음 수학식 8과 같다. In the case of the nth message user, the SINR is as shown in
여기서, , 이다. here, , am.
는 선택된 m번째 사용자와 n번째 사용자를 나타내는 행렬로 다음 수학식 9와 같다. Is a matrix representing the selected m-th user and n-th user, as shown in Equation 9 below.
추가적으로, Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자가 쌍을 이루지 못하는 경우, 는 무한대가 된다. Additionally, if message receivers in Zone-1 and Zone-2 are not paired, becomes infinite.
결과적으로, Zone-1의 m번째 메시지 수신자와 Zone-2의 n번째 수신자의 채널용량(과 )은 다음 수학식 10 및 수학식 11과 같다. As a result, the channel capacity of the m-th message receiver in Zone-1 and the n-th receiver in Zone-2 ( class ) is as shown in
본 발명에서 제안된 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 시스템 성능은 m번째 사용자와 n번째 사용자의 성능을 합한 것이 된다. In the MISO-NOMA network system proposed in the present invention, the system performance is the sum of the performance of the m-th user and the n-th user.
따라서, 네트워크 성능 은 다음 수학식 12와 같다. Therefore, network performance Is equal to the following
본 발명에서 제안된 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서의 네트워크 자원 제한이 한정적이다. 따라서 이러한 제한된 자원의 조건은 다음 수학식 13과 같다. Network resource limitations in the MISO-NOMA network system proposed in the present invention are limited. Therefore, the condition of these limited resources is shown in Equation 13 below.
여기서, 과 는 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 서비스 요구사항이다. 그리고 는 k번째 에너지 사용자의 최소 에너지 충전 요구사항이다. 은 BS의 최대 전송파워이다. 따라서, 네트워크 성능( )을 최대화하기 위해서는 수학식 13을 만족해야 한다. here, class is the service requirement of the m-th message receiver and the n-th message receiver. and is the minimum energy charging requirement of the k-th energy user. is the maximum transmit power of the BS. Therefore, network performance ( ), Equation 13 must be satisfied.
이를 목적함수(Objective function:SEM)와 제한조건(subject to: s. t.)으로 나타내면 다음 수학식 14와 같다. This is expressed as an objective function (SEM) and a constraint (subject to: s. t.) as shown in Equation 14 below.
여기서, 는 이원성을 가지 변수로, 이를 연속 변수로 바꾸면 와 같다. 따라서, 목적함수 및 제한조건은 다음 수학식 15와 같다.here, is a variable with duality, and converting it into a continuous variable Same as Therefore, the objective function and constraints are as shown in
다음 수학식 16과 같은 수학적 원리를 이용하면, 수학식 15의 제한조건들을 수학식 17과 같이 변환할 수 있다. Using the mathematical principle of Equation 16 below, the constraints of
여기서, 와 는 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 소프트 데이터 속도(soft data rate)이고, 와 는 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 SINR이다. here, and is the soft data rate of the m-th message receiver and the n-th message receiver, and is the SINR of the m-th message receiver and the n-th message receiver.
위 식에서 는 선형(linear)이면서 볼록함수(convex function)이지만, 조건들in the above expression is a linear and convex function, but the conditions
은 볼록하지 않은 함수(non-convex function)이다. 따라서, 수학적 원리를 이용하여 조건들을 볼록함수로 근사화(approximation)하면 다음 수학식 18과 같다. is a non-convex function. Therefore, when the conditions are approximated with a convex function using mathematical principles, the following Equation 18 is obtained.
여기서, 는 이다. here, Is am.
또한, 는 이고, 는 을 만족하는 요소( )들의 집합이다. also, Is ego, Is factor that satisfies ( ) is a set of
는 이고, 은 실수부를 의미한다. Is ego, means the real part.
는 이다. Is am.
는 이다. Is am.
는 이고, 는 의 대각합이다. Is ego, Is is the diagonal of
는 이다. Is am.
위 식은 모든 변수가 볼록함수(Convex function)이기 때문에 알고리즘을 이용하여 최적의 값을 찾을 수 있다. 이를 위해서 초기 값은 다음 수학식 19와 같이 정의한다. Since all variables in the above equation are convex functions, an optimal value can be found using an algorithm. To this end, the initial value is defined as in Equation 19 below.
그리고, 본 발명에서 제안하는 SCA-based iterative 알고리즘은 다음의 표 1과 같다. And, the SCA-based iterative algorithm proposed in the present invention is shown in Table 1 below.
여기서, 은 탐색횟수(k)의 초기값을 설정한 것이고, 는 시스템 성능을 최적화되는 출력 파라미터( )의 초기값을 설정한 것이다. 또한, 는 입력 파라미터 초기값을 나타내고, 는 시스템 성능( )을 최적화하는 입력 파라미터를 나타낸다. here, is the initial value of the number of searches (k), is the output parameter ( ) to set the initial value. also, represents the input parameter initial value, is the system performance ( ) represents the input parameters to optimize.
상기 표 1에서와 같이, 본 발명에 따른 SCA-based iterative 알고리즘은, MISO-NOMA 네트워크 시스템의 자원할당과 사용자 쌍을 구성하기 위한 파라미터 초기값을 수학식 19를 통해 설정하고, MISO-NOMA 네트워크 시스템의 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하고 Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자의 사용자 쌍을 최적화하는 파라미터 값을 수학식 18을 통해 반복하여 찾게 되며, 최적화된 사용자 쌍에 따른 네트워크 성능을 계산하여 계산된 네트워크 성능과 최적화된 파라미터 값을 출력하게 된다. As shown in Table 1, the SCA-based iterative algorithm according to the present invention sets the resource allocation of the MISO-NOMA network system and the initial value of the parameter for configuring the user pair through Equation 19, and the MISO-NOMA network system The parameter value that optimally allocates the limited network resources of and optimizes the user pair of message receivers in Zone-1 and Zone-2 is repeatedly found through Equation 18, and the network performance according to the optimized user pair is calculated and calculated. The network performance and optimized parameter values are output.
상기 과정을 수행하는 SCA-based iterative 알고리즘을 통하여 MISO-NOMA 네트워크에서 최적화된 사용자 쌍을 구성할 수 있게 된다.Through the SCA-based iterative algorithm that performs the above process, it is possible to construct an optimized user pair in the MISO-NOMA network.
도 2는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 최적의 자원할당 탐색 횟수 증가에 따른 주파수 효율 변화 일례를 나타낸 것으로, HUP(Hybrid User Pairing)는 본 발명에서 제안하는 SCA-based iterative 알고리즘을 적용한 자원할당 기법이고, RUP(Random User Pairing) 및 MUB(Multiuser Beamforming)는 종래 자원할당 기법 중 하나이다.2 shows an example of a change in frequency efficiency according to an increase in the number of optimal resource allocation searches in a MISO-NOMA network system. Hybrid User Pairing (HUP) is a resource allocation technique to which the SCA-based iterative algorithm proposed in the present invention is applied, RUP (Random User Pairing) and MUB (Multiuser Beamforming) are among conventional resource allocation techniques.
도 2에서와 같이, 본 발명에 따른 HUP(Hybrid User Pairing) 기법과 종래 RUP(Random User Pairing) 기법 및 MUB(Multiuser Beamforming) 기법 모두 탐색 횟수 증가에 따라 주파수 효율이 증가하다가 일정해지는 것을 확인할 수 있는데, 이 중 본 발명에서 제안된 HUP 기법이 탐색 횟수 증가에 따라 다른 기법들보다 자원 할당을 통하여 주파수 효율을 극대화 하는 것을 알 수 있다. As shown in FIG. 2, it can be seen that the frequency efficiency increases and then becomes constant as the number of searches increases in both the hybrid user pairing (HUP) technique according to the present invention, the conventional random user pairing (RUP) technique, and the multiuser beamforming (MUB) technique. , it can be seen that the HUP technique proposed in the present invention maximizes the frequency efficiency through resource allocation than other techniques according to the increase in the number of searches.
도 3은 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 BS의 전송파워가 증가함에 따른 평균 주파수 효율의 변화 일례를 나타낸 것이다. 3 shows an example of a change in average frequency efficiency as the transmission power of a BS increases in a MISO-NOMA network system.
도 3에서와 같이, 전송파워가 증가함에 따라 HUP 기법, RUP 기법, MUB 기법 모두 평균 주파수 효율이 증가하는데, 이는 더 많은 파워로 인한 것이다. 이때, 본 발명에서 제안하는 HUP 기법이 동일한 조건에서 다른 기법보다 뛰어난 것을 확인할 수 있는데, 이를 통하여 본 발명에 따른 HUP 기법이 성능 향상을 가져오는 것을 알 수 있다. 추가적으로 모든 경우를 다 고려하는 방법인 BFS(임의탐색방법)를 통하여 최적의 효율에 가장 가까운 것도 확인할 수 있다. As shown in FIG. 3, as transmission power increases, average frequency efficiency increases in all of the HUP, RUP, and MUB techniques, which is due to more power. At this time, it can be confirmed that the HUP technique proposed in the present invention is superior to other techniques under the same conditions, and through this, it can be seen that the HUP technique according to the present invention brings about performance improvement. Additionally, the closest to optimal efficiency can be identified through BFS (random search method), which is a method that considers all cases.
도 4는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 최소전송조건(R)이 증가함에 따른 평균 주파수 효율 변화 일례를 나타낸 것이다. 4 shows an example of average frequency efficiency change as the minimum transmission condition (R) increases in the MISO-NOMA network system.
도 4에서 볼 수 있듯이, 최소전송조건이 높아짐에 따라서 HUB 기법도 평균 주파수 효율이 낮아지는 것을 확인할 수 있다. As can be seen in FIG. 4, it can be confirmed that the average frequency efficiency of the HUB technique also decreases as the minimum transmission condition increases.
도 5는 MISO-NOMA 네트워크 시스템에서 BS의 안테나 수 변화에 따른 평균 주파수 효율 변화 일례를 나타낸 것이다. 5 shows an example of a change in average frequency efficiency according to a change in the number of antennas of a BS in a MISO-NOMA network system.
도 5에서와 같이, 안테나 수가 증가함에 따라 평균 주파수 효율도 증가하는데, 이때 본 발명에 따른 HUP 기법의 평균주파수 효율이 다른 기존 기법에 비해 가장 높은 것을 알 수 있으며, 이를 통하여 본 발명에서 제안하는 방법이 효과적으로 자원을 사용하는 것을 확인할 수 있다. As shown in FIG. 5, as the number of antennas increases, the average frequency efficiency also increases. At this time, it can be seen that the average frequency efficiency of the HUP technique according to the present invention is the highest compared to other existing techniques. Through this, the method proposed by the present invention You can see that this resource is used effectively.
이와 같이, 본 발명에서는 MISO NOMA 네트워크에서 최적화된 사용자 쌍 구성함으로써, MISO NOMA 네트워크의 스펙트럼 효율을 높일 수 있게 된다. As such, in the present invention, by constructing an optimized user pair in the MISO NOMA network, it is possible to increase the spectral efficiency of the MISO NOMA network.
이러한 본 발명은 상술한 실시 예에 한정되는 것은 아니며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 갖는 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구 범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications and variations within the scope of equivalents of the technical spirit of the present invention and the claims to be described below by those skilled in the art to which the present invention pertains. Of course, this can be done.
Claims (5)
(a) MISO-NOMA 네트워크 시스템의 자원할당과 사용자 쌍을 구성하기 위한 파라미터 초기값을 설정하는 단계; (b) MISO-NOMA 네트워크 시스템의 제한된 네트워크 자원을 최적으로 할당하고, Zone-1과 Zone-2의 메시지 수신자의 사용자 쌍을 최적화하는 파라미터 값을 반복하여 찾는 단계; (c) 최적화된 사용자 쌍에 따른 네트워크 성능을 계산하여, 계산된 네트워크 성능과 최적화된 파라미터 값을 출력하는 단계;를 포함하되,
상기 파라미터 초기값을 설정하는 단계(a)는
탐색횟수 와 시스템 성능을 최적화하는 출력 파라미터의 초기값 로 설정하고, 다음 수학식을 통해 입력 파라미터의 초기값 을 설정하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법.
(여기서, K는 Zone-1에 존재하는 에너지 수신자의 개수,
는 Zone-1에 위치한 메시지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴의 벡터(L×1),
는 Zone-2에 위치한 메시지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴의 벡터(L×1),
는 Zone-1과 Zone-2에 위치한 메시지 수신자들과 L개의 안테나를 가진 BS 사이의 빔포밍 패턴들의 벡터(2×L)로 ,
V는 Zone-1에 K개의 에너지 수신자와 L개의 안테나를 가진 BS의 사이의 빔포밍 벡터(L×K),
는 선택된 m번째 사용자와 n번째 사용자를 나타내는 행렬,
는 BS와 m번째 메시지 사용자(Zone-1) 사이의 채널 효율,
과 는 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 서비스 요구사항,
는 k번째 에너지 사용자의 최소 에너지 충전 요구사항,
는 BS의 최대 전송파워,
과 은 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 소프트 데이터 속도(soft data rate),
과 은 m번째 메시지 수신자와 n번째 메시지 수신자의 SINR(Signal-to-interference-plus-noise ratio),
는 을 만족하는 요소()들의 집합,
,
,
는 고, 은 실수부,
는 을 나타낸다)
A BS (Base Station) having L antennas, K energy receivers and M message receivers located in the first zone (Zone-1) having a radius r based on the BS, and the first zone (Zone-1 ), the spectral efficiency in a MISO-NOMA (Multiple-Input Single-Output Non-orthogonal Multiple Access) network system having N message receivers located in the second zone (Zone-2) with a radius R based on BS outside of As a hybrid user pair configuration method for simultaneously performing resource allocation and user pair configuration for
(a) setting initial values of parameters for configuring resource allocation and user pairs of the MISO-NOMA network system; (b) iteratively finding a parameter value that optimally allocates limited network resources of the MISO-NOMA network system and optimizes a user pair of a message receiver in Zone-1 and Zone-2; (c) calculating network performance according to the optimized user pair and outputting the calculated network performance and optimized parameter values;
Step (a) of setting the initial value of the parameter
search times and initial values of output parameters that optimize system performance. , and the initial value of the input parameter through the following equation Hybrid user pair configuration method characterized in that for setting.
(Where K is the number of energy receivers in Zone-1,
Is a vector of beamforming patterns between a message receiver located in Zone-1 and a BS having L antennas (L × 1),
Is a vector of beamforming patterns between a message receiver located in Zone-2 and a BS having L antennas (L × 1),
Is a vector (2 × L) of beamforming patterns between message receivers located in Zone-1 and Zone-2 and a BS with L antennas. ,
V is the beamforming vector (L×K) between K energy receivers in Zone-1 and BSs with L antennas,
Is a matrix representing the selected m-th user and n-th user,
is the channel efficiency between the BS and the m-th message user (Zone-1),
class Is the service requirement of the m-th message receiver and the n-th message receiver,
is the minimum energy charge requirement of the kth energy user,
is the maximum transmission power of BS,
class is the soft data rate of the m-th message receiver and the n-th message receiver,
class is the signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) of the m-th message receiver and the n-th message receiver,
Is factor that satisfies ( ),
,
,
Is go, is the real part,
Is represents)
상기 사용자 쌍을 최적화하는 파라미터 값을 반복하여 찾는 단계(b)에서,
다음 수학식을 통해 시스템 성능()을 최적화하는 입력 파라미터 를 찾는 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법.
(여기서, 는 m번째 메시지 수신자의 (SINR: Signal-to-interference-plus-noise ratio, 신호-대-간섭-잡음 비)로, 이고,
는 n번째 메시지 사용자의 SINR로, , 이며,
를 나타낸다)
According to claim 1,
In the step (b) of iteratively finding a parameter value that optimizes the user pair,
The system performance ( ) as an input parameter to optimize Hybrid user pair configuration method characterized in that for finding.
(here, Is (SINR: Signal-to-interference-plus-noise ratio, signal-to-interference-noise ratio) of the m-th message receiver, ego,
is the SINR of the nth message user, , is,
represents)
상기 시스템 성능()을 최적화하는 수학식은,
볼록하지 않은 함수(non-convex function)
가 볼록함수로 근사화(approximation) 되어,
다음 수학식으로 변환되어 표현되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법.
(여기서, 는 이고,
는 이며,
는 를 나타낸다)
According to claim 3,
The system performance ( ), the equation for optimizing
non-convex function
is approximated by a convex function,
A hybrid user pair configuration method characterized in that it is converted and expressed by the following equation.
(here, Is ego,
Is is,
Is represents)
상기 네트워크 성능과 최적화된 파라미터 값을 출력하는 단계(c)는,
시스템 성능()을 최적화하는 입력 파라미터 를 찾으면,
최적화된 출력 파라미터 일 때의 시스템 성능()을 계산하고,
계산된 시스템 성능()과 출력 파라미터 를 출력하는 것을 특징으로 하는 하이브리드 사용자 쌍 구성 방법. According to claim 3 or 4,
Step (c) of outputting the network performance and optimized parameter values,
system performance ( ) as an input parameter to optimize If you find
Optimized output parameters System performance when ( ) is calculated,
Calculated system performance ( ) and output parameters Hybrid user pair configuration method characterized in that for outputting.
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- 2021-01-28 KR KR1020210012214A patent/KR102509406B1/en active IP Right Grant
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Van-Dinh Nguyen et al, "An efficient design for NOMA-assisted MISO-SWIPT systems with AC computing," IEEE Access, vol. 7,pp. 97094-97105, 2019* |
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