[논문 리뷰] Energy-Efficient Backscatter-Assisted Coded Cooperative-NOMA for B5G Wireless Communications

Muhammad Asif, Asim Ihsan외 4명|arXiv (Cornell University)|2022. 08. 01.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC) 조건 하에서 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 동시에 극대화하기 위해 교차 최적화를 사용하는 에너지 효율적인 백스캐터링 지원 협업 NOMA 시스템을 제안한다. 이는 소스 전력, 전력 할당 계수, 리레이 전력을 최적화하는 3단계 알고리즘을 도입하며, 원거리 사용자의 비트 오류율(BER) 성능을 크게 향상시키기 위해 공동 설계된 QC-LDPC 코드와 합-곱 알고리즘(SPA) 디코더를 활용하여 최소한의 디코딩 반복 수로 성능을 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 환경 백스캐터링 통신을 활용하여 B5G 네트워크에서 에너지 제약이 있는 IoT 기기의 배터리 수명을 연장함으로써 에너지 제약 문제를 해결한다.
• 제한된 백스캐터링 및 리레이 전력 예산 조건 하에서 협업 NOMA 시스템의 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시킨다.
• 간접적인 링크와 열악한 채널 조건으로 인한 원거리 사용자 성능 저하 문제를 고도화된 코딩 및 디코딩 기법을 통해 해결한다.
• QoS 및 전력 제약 조건 하에서 불완전한 SIC 디코딩 조건 하에서도 전송 전력, 전력 할당, 리레이 전력을 공동으로 관리하여 시스템 성능을 최적화한다.

제안 방법

• 공동 에너지 효율성 극대화 문제를 세 개의 하위 문제로 분리하기 위해 교차 최적화 프레임워크를 개발한다: 소스 전력, 전력 할당 계수(PAC), 리레이 전력.
• QoS, 전력 예산, 협업 제약 조건을 충족시키며 각 변수를 순차적으로 최적화하는 저복잡도의 3단계 알고리즘을 적용한다.
• 원거리 사용자 데이터에 특화된 새로운 유형의 $(\Omega,f,\chi;\Xi)$-CBSEC 기반 공동 설계 Quasi-cyclic Low-Density Parity-Check(QC-LDPC) 코드를 제안한다.
• 합-곱 알고리즘(SPA) 기반 공동 반복 디코더를 활용하여 원거리 사용자 데이터를 동시에 디코딩함으로써 최소한의 디코딩 반복 수로 오류 수정 성능을 향상시킨다.
• 레이일라이트 fading 조건과 불완전한 SIC 조건 하에서 시스템을 모델링하며, 간섭 매개변수 $\eta$가 잔류 사용자 간 간섭을 캡처한다.
• 실제 파rameter(예: 30 dBm 소스 전력, 10 dBm 리레이 전력, -114 dBm 노이즈)를 기반으로 시뮬레이션을 수행하여 성능를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 SIC 및 제한된 전력 예산 조건 하에서 백스캐터링 지원 협업 NOMA 시스템의 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 불완전한 SIC 매개변수 $\eta$는 시스템의 에너지 효율성과 수렴 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 공동 설계된 QC-LDPC 코드는 백스캐터링 기반 협업 NOMA 시스템에서 원거리 사용자의 BER 성능을 최소한의 디코딩 반복 수로 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ4 제안된 시스템은 비백스캐터링(NBST) 및 전통적 백스캐터링(WBST) 대비 에너지 효율성과 오류 수정 성능 측면에서 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 제안된 시스템은 불완전한 SIC 매개변수 $\eta$의 모든 값에서 NBST 대비 더 높은 에너지 효율성을 달성하며, $\eta$가 증가할수록 성능 저하가 심화된다.
• 회로 전력 $P_c$가 높아질수록 에너지 효율성이 감소하지만, 제안된 알고리즘은 $\eta$ 값(0.1, 0.2, 0.4)에 관계없이 항상 5회 이내의 반복 수로 수렴한다.
• 공동 설계된 QC-LDPC 코드는 원거리 사용자에 대해 뛰어난 비트 오류율(BER) 성능을 제공하며, 레이일라이트 fading 조건에서 단지 5~6회의 디코딩 반복 수로 낮은 BER을 달성한다.
• 3단계 교차 최적화 알고리즘은 빠른 수렴과 낮은 복잡도를 유지하여 B5G 네트워크의 실시간 구현에 적합하다.
• 불완전한 SIC에 대한 시스템의 강건성은 $\eta$의 영향을 받지 않으며, 근처 사용자에서 간섭 증가로 인한 성능 저하 외에는 수렴에 영향을 주지 않는다.
• 제안된 WBST(무선 백스캐터링 전송) 시스템은 NBST 시스템보다 에너지 효율성에서 뛰어나며, 특히 $\eta$와 $P_c$가 높은 조건에서 두드러진 성능 향상을 보인다.