[論文レビュー] On Energy-Efficient NOMA Designs for Heterogeneous Low-Latency Downlink Transmissions.

Yanqing Xu, Chao Shen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、シャノン容量の代わりに有限ブロック長コード（FBC）を活用することで、厳格な遅延制約下での2ユーザー下行リンクNOMAシステムにおけるエネルギー効率的リソース割り当てを提案する。ユーザー固有の遅延およびチャネル状態に基づく適応型干渉低減手法を設計し、NOMAとTDMAの利点を組み合わせたハイブリッドTDMA-NOMA伝送方式を導入することで、優れたエネルギー効率を達成する。FBC式の凹型近似により、計算的に効率的な解法が可能となる。

ABSTRACT

This paper investigates energy-efficient resource allocation for the two-user downlink with strict latency constraints at users. To cope with strict latency constraints, the capacity formula of the finite blocklength codes (FBCs) is adopted, in contrast to the classical Shannon capacity formula. The FBC formula explicitly specifies the trade-off between blocklength and reliability. We first consider the case where the transmitter uses super-position coding based non-orthogonal multiple access (NOMA). However, due to heterogeneous latency constraints and channel conditions at users, the conventional successive interference cancellation may be infeasible. We thus propose to use different interference mitigation schemes according to heterogeneous user conditions and solve the corresponding NOMA design problems. Though the target energy function is non-convex and implicit, optimal user blocklength and power allocation can still be identified for the considered NOMA schemes and checking the problem feasibility is simple. It is observed that when the latency requirements are more heterogeneous, the NOMA scheme cannot achieve the best energy-efficiency of the downlink. In view of this, a hybrid transmission scheme which includes time division multiple access (TDMA) and NOMA as special cases is considered. Although the energy minimization is even challenging than the pure NOMA design problem, we propose a concave approximation of the FBC capacity formula which allows to obtain computationally efficient and high-quality solutions. Simulation results show that the hybrid scheme can benefits from both NOMA and TDMA.

研究の動機と目的

• 下り方向NOMAシステムにおける異種の遅延制約下でのエネルギー効率を向上させること。
• 厳しく非対称な遅延要件が課される状況下で、従来の逐次干渉キャンセレーション（SIC）が非実行可能となる問題を克服すること。
• ユーザー固有のチャネル状態および遅延制約に適合した、適応型干渉低減手法を設計すること。
• NOMAとTDMAの利点を統合したハイブリッド伝送方式を構築し、エネルギー効率を向上させること。
• 非凸的かつ暗黙的なエネルギー目的関数下でのパワーおよびブロック長割り当ての計算的に効率的な最適化を可能とすること。

提案手法

• ブロック長、信頼性、遅延のトレードオフをモデル化するため、古典的なシャノン容量の代わりに有限ブロック長容量式を採用する。
• チャネル状態と遅延の非対称性に基づき、ユーザー固有の干渉低減戦略を設計し、実行可能な逐次干渉キャンセレーションを可能にする。
• NOMAとTDMAの両方を特殊ケースとして含む一般化されたハイブリッド伝送方式を提案し、リソース共有の柔軟性を実現する。
• FBC容量式の凹型近似を導入することで、非凸的エネルギー最小化問題を扱いやすい形に変換する。
• 凸緩和技術を用いて得られた最適化問題を解き、高品質かつ計算的に効率的な解を得る。
• エネルギー効率を最大化する制約下で、ブロック長およびパワー割り当てを最適化変数として採用する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 厳しく非対称な遅延制約下において、NOMA下り方向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 非対称な遅延およびチャネル状態の下でSICが失敗する場合、どのような干渉低減戦略が実行可能かつ最適か？
• RQ3 有限ブロック長制約下で、NOMAとTDMAを統合したハイブリッド伝送方式は、純粋なNOMAやTDMAを上回るエネルギー効率を達成できるか？
• RQ4 有限ブロック長コード下で、非凸的かつ暗黙的なエネルギー最小化問題をどのように効率的に解けるか？
• RQ5 遅延の非対称性は、NOMAシステムにおける達成可能なエネルギー効率にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 提案されたハイブリッド伝送方式は、NOMAとTDMAの長所を活かすことで、純粋なNOMAよりも優れたエネルギー効率を達成する。
• 遅延要件が極めて非対称な場合、NOMA単体では最適なエネルギー効率を達成できないことが示され、ハイブリッド方式の必要性が浮き彫りになる。
• FBC容量式の凹型近似により、非凸最適化問題に対する計算的に効率的で高品質な解法が可能になる。
• 提案されたNOMA設計の実行可能性チェックは単純であるため、実用的な展開が容易になる。
• シミュレーション結果から、ハイブリッド方式が、厳格な遅延制約下でNOMAのスペクトル効率とTDMAの信頼性の両方の利点を享受できることを確認した。