[論文レビュー] Spectral and Energy Efficient Wireless Powered IoT Networks: NOMA or TDMA?

Qingqing Wu, Wen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、無線給電型IoTネットワークにおける非直交多重アクセス（NOMA）が、時分割多重アクセス（TDMA）に比べスペクトル効率およびエネルギー効率を向上させるかを調査する。時間割り当ての共同最適化と回路エネルギー消費を考慮した結果、NOMAベースのWPCNは『最悪ユーザー Bottleneck』と高い回路パワー要件のため、TDMAベースのそれらに比べてエネルギーをより多く消費し、スペクトル効率も低くなることが判明した。

ABSTRACT

Wireless powered communication networks (WPCNs), where multiple energy-limited devices first harvest energy in the downlink and then transmit information in the uplink, have been envisioned as a promising solution for the future Internet-of-Things (IoT). Meanwhile, non-orthogonal multiple access (NOMA) has been proposed to improve the system spectral efficiency (SE) of the fifth-generation (5G) networks by allowing concurrent transmissions of multiple users in the same spectrum. As such, NOMA has been recently considered for the uplink of WPCNs based IoT networks with a massive number of devices. However, simultaneous transmissions in NOMA may also incur more transmit energy consumption as well as circuit energy consumption in practice which is critical for energy constrained IoT devices. As a result, compared to orthogonal multiple access schemes such as time-division multiple access (TDMA), whether the SE can be improved and/or the total energy consumption can be reduced with NOMA in such a scenario still remains unknown. To answer this question, we first derive the optimal time allocations for maximizing the SE of a TDMA-based WPCN (T-WPCN) and a NOMA-based WPCN (N-WPCN), respectively. Subsequently, we analyze the total energy consumption as well as the maximum SE achieved by these two networks. Surprisingly, it is found that N-WPCN not only consumes more energy, but also is less spectral efficient than T-WPCN. Simulation results verify our theoretical findings and unveil the fundamental performance bottleneck, i.e., "worst user bottleneck problem", in multiuser NOMA systems.

研究の動機と目的

• エネルギー制約のある無線給電型IoTネットワークにおいて、NOMAがTDMAに比べスペクトル効率（SE）を向上させ、総エネルギー消費を削減するかを特定すること。
• 既存の文献におけるギャップを埋めるために、低消費電力IoTデバイスにとって極めて重要であるが、しばしば無視される回路エネルギー消費を組み込むこと。
• NOMAシステムにおける『最悪ユーザー Bottleneck 問題』の影響を分析すること。ここでは、チャネル状態が最悪のユーザーが全ユーザーの上行リンク伝送時間の上限を決定する。
• エネルギー因果制約下で、WPCNにおけるTDMAおよびNOMAの最適時間割り当て戦略を比較すること。
• 回路パワーが無視できない場合のスペクトル効率とエネルギー効率のトレードオフを評価すること。

提案手法

• TDMAベースのWPCN（T-WPCN）におけるスペクトル効率最大化の最適時間割り当てを導出する。最適化後、これを単一ユーザー問題として扱う。
• SIC（ successive interference cancellation ）における最適パワー割り当ての構造を活用し、NOMAベースのWPCN（N-WPCN）のSE最大化問題を単一ユーザー最適化問題として定式化する。
• 各デバイス $ k $ に対して明示的に回路パワー $ p_{\rm c,k} $ を含めた、送信エネルギーと回路エネルギーの合計エネルギー消費をモデル化する。
• N-WPCNにおける各デバイスのエネルギー因果制約を分析し、上行リンク伝送時間 $ \bar{\tau}_1 $ が、ダウンリンクチャネルゲインが最悪で回路パワーが最も高いユーザーによって制限されることを示す。
• 導出された最適時間割り当てを用いて、T-WPCNとN-WPCNの間で、さまざまなシステムパラメータ下でのスペクトル効率および総エネルギー消費を比較する。
• 変動する送信パワー $ P_{\rm E} $、回路パワー $ p_{\rm c,k} $、およびユーザー数 $ K $ を用いたシミュレーションにより、理論的考察を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 回路エネルギー消費を考慮した場合、無線給電型IoTネットワークにおけるNOMAはTDMAに比べスペクトル効率を向上させるか？
• RQ2 エネルギー制約のあるIoTネットワークにおいて、NOMAはTDMAに比べ総システムエネルギー消費を削減するか？
• RQ3 『最悪ユーザー Bottleneck 問題』は、NOMAベースのWPCNのパフォーマンスにどのように影響を与えるか？
• RQ4 回路パワーを増加させると、NOMAとTDMAの間のパフォーマンスギャップにどのような影響が生じるか？
• RQ5 ユーザー数 $ K $ が、スペクトル効率およびエネルギー効率の観点から、NOMAとTDMAの相対的パフォーマンスにどのように影響を与えるか？

主な発見

• NOMAベースのWPCN（N-WPCN）は、TDMAベースのWPCN（T-WPCN）よりも長いダウンリンク無線エネルギー伝送（WET）時間を要するため、エネルギー消費がより高くなる。
• N-WPCNは『最悪ユーザー Bottleneck 問題』のため、全ユーザーの上行リンク伝送時間がチャネルゲインが最悪のユーザーによって制限されるため、T-WPCNに比べスペクトル効率が低くなる。
• 回路パワー $ p_{\rm c,k} $ が増加するにつれ、N-WPCNとT-WPCNの間のパフォーマンスギャップが顕著に拡大し、N-WPCNのスループット低下とエネルギー消費増加が著しくなる。
• ユーザー数 $ K=50 $ の場合、$ p_{\rm c,k} $ が増加するにつれて、T-WPCNはN-WPCNをスペクトル効率およびエネルギー効率の両面で上回る。これは、時間割り当てにおけるマルチユーザーダイバーシティの恩恵によるものである。
• 回路パワーがゼロの場合、T-WPCNとN-WPCNは同一のスペクトル効率およびエネルギー消費を達成する。これは、パフォーマンスギャップが回路パワーが非ゼロである場合にのみ生じることを確認する。
• シミュレーションにより、同じ合計回収エネルギーが利用可能であっても、N-WPCNの最適解はT-WPCNに比べてエネルギーをより多く消費し、スループットも低くなることが確認された。これは、NOMAにおける高い回路エネルギー消費に起因する。