[論文レビュー] Energy-Efficient Backscatter-Assisted Coded Cooperative-NOMA for B5G Wireless Communications

Muhammad Asif, Asim Ihsan+4 more|arXiv (Cornell University)|Aug 1, 2022

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）下でスペクトル効率とエネルギー効率を同時に最大化するため、交互最適化を用いたエネルギー効率の高いバックスキャター支援型協調NOMAシステムを提案する。3段階のアルゴリズムにより、送信元の送信電力、電力割り当て係数、リレータの送信電力を最適化し、合意的設計されたQC-LDPC符号と和積アルゴリズム（SPA）デコーダーを採用することで、遠距離ユーザーの誤り率性能を著しく向上させ、デコーディング反復回数を最小限に抑える。

ABSTRACT

In this manuscript, we propose an alternating optimization framework to maximize the energy efficiency of a backscatter-enabled cooperative Non-orthogonal multiple access (NOMA) system by optimizing the transmit power of the source, power allocation coefficients (PAC), and power of the relay node under imperfect successive interference cancellation (SIC) decoding. A three-stage low-complexity energy-efficient alternating optimization algorithm is introduced which optimizes the transmit power, PAC, and relay power by considering the quality of service (QoS), power budget, and cooperation constraints. Subsequently, a joint channel coding framework is introduced to enhance the performance of far user which has no direct communication link with the base station (BS) and has bad channel conditions. In the destination node, the far user data is jointly decoded using a Sum-product algorithm (SPA) based joint iterative decoder realized by jointly-designed Quasi-cyclic Low-density parity-check (QC-LDPC) codes. Simulation results evince that the proposed backscatter-enabled cooperative NOMA system outperforms its counterpart by providing an efficient performance in terms of energy efficiency. Also, proposed jointly-designed QC-LDPC codes provide an excellent bit-error-rate (BER) performance by jointly decoding the far user data for considered BSC cooperative NOMA system with only a few decoding iterations.

研究の動機と目的

• B5Gネットワークにおけるエネルギー制約のあるIoTデバイスの課題に対処するため、環境からのバックスキャター通信を活用してバッテリー寿命を延長する。
• 限られたバックスキャターおよびリレータの送信電力予算下で、協調NOMAシステムのスペクトル効率とエネルギー効率を向上させる。
• 間接的なリンクと劣悪なチャネル状態による遠距離ユーザーの性能劣化を、高度な符号化およびデコーディング技術によって克服する。
• QoSおよび電力制約下で、送信電力、電力割り当て係数、リレータ電力を共同で管理することにより、不完全なSICデコーディング下でもシステム性能を最適化する。

提案手法

• 送信電力、電力割り当て係数（PAC）、リレータ電力の3つの部分問題に分離可能な、交互最適化フレームワークを構築し、共同エネルギー効率最大化問題を解消する。
• QoS、電力予算、協調制約を満たすように繰り返し最適化を行う低複雑度の3段階アルゴリズムを適用する。
• 遠距離ユーザーのデータに特化した、$(\Omega,f,\chi;\Xi)$-CBSECに基づく新規クラスの共同設計された準循環型低密度奇数チェック（QC-LDPC）符号を導入する。
• 和積アルゴリズム（SPA）に基づく共同反復デコーダーを採用し、遠距離ユーザーのデータを同時にデコードすることで、最小限のデコーディング反復回数で誤り補正性能を向上させる。
• レイリー faded 環境および不完全なSICを想定したシステムモデルを構築し、残留ユーザー間干渉を表現する干渉パrameter $\eta$ を導入する。
• 実際のパラメータ（例：30 dBmの送信元電力、10 dBmのリレータ電力、-114 dBmのノイズ）を用いたシミュレーション評価により性能を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なSICおよび限られた電力予算下で、バックスキャター支援型協調NOMAシステムのエネルギー効率をどのように最大化できるか？
• RQ2 不完全なSICパrameter $\eta$ がシステムのエネルギー効率および収束特性に与える影響は何か？
• RQ3 共同設計されたQC-LDPC符号は、少ないデコーディング反復回数でバックスキャター対応協調NOMAシステムにおける遠距離ユーザーのBER性能を著しく向上させることができるか？
• RQ4 提案手法は、バックスキャター非対応（NBST）および従来のバックスキャター（WBST）手法と比較して、エネルギー効率および誤り補正性能で優れているか？

主な発見

• 提案手法は、不完全なSICパラメータ $\eta$ のすべての値において、NBST手法を上回る高いエネルギー効率を達成するが、$\eta$ が増加するにつれて性能劣化が顕著になる。
• 回路電力 $P_c$ が高くなるとエネルギー効率は低下するが、提案アルゴリズムは $\eta$ の値（0.1, 0.2, 0.4）に関係なく、常に5反復で収束を示す。
• 共同設計されたQC-LDPC符号により、遠距離ユーザーのビット誤り率（BER）性能が著しく向上し、レイリー faded 環境下でも5～6反復の少ないデコーディング反復で低BERを達成する。
• 3段階の交互最適化アルゴリズムは高速に収束し、低複雑度を維持するため、B5Gネットワークにおけるリアルタイム導入に適している。
• 不完全なSICに対して高い耐性を示し、$\eta$ の変動にかかわらず収束性に影響を及ぼさないが、近距離ユーザーの干渉が増加することで性能劣化が生じる。
• 提案されたWBST（無線バックスキャター伝送）システムは、特に $\eta$ と $P_c$ が高くなる条件下で、NBSTシステムを上回るエネルギー効率を達成する。