[논문 리뷰] Spectral and Energy Efficient Wireless Powered IoT Networks: NOMA or TDMA?

Qingqing Wu, Wen Chen외 2명|arXiv (Cornell University)|2018. 01. 27.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 12인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 무선 전력 공급 IoT 네트워크에서 비직교 다중접근(NOMA)이 시간분할다중접근(TDMA)보다 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성을 향상시키는지 조사한다. 시간 할당을 공동으로 최적화하고 회로 에너지 소비를 고려함으로써, 연구는 NOMA 기반의 와이어리스 파워드 커뮤니케이션 네트워크(WPCNs)가 '가장 나쁜 사용자 병목 현상'과 더 높은 회로 전력 요구량으로 인해 TDMA 기반의 대안보다 더 많은 에너지를 소비하고 더 낮은 스펙트럼 효율성을 달성함을 드러낸다.

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.

연구 동기 및 목표

• 에너지 제약이 있는 무선 전력 공급 IoT 네트워크에서 NOMA가 스펙트럼 효율성(SE)을 향상시키고 총 에너지 소비를 줄이는지 여부를 규명하기 위해.
• 기존 문헌에서 자주 간과되지만 저전력 IoT 장치에 있어 핵심적인 회로 에너지 소비를 포함함으로써 그 격차를 메우기 위해.
• 채널 조건이 가장 열 劣한 사용자가 전체 사용자에게 영향을 미치는 다중사용자 NOMA 시스템에서의 '가장 나쁜 사용자 병목 현상 문제'의 영향을 분석하기 위해.
• 에너지 인과성 제약 조건 하에서 TDMA 및 NOMA의 최적 시간 할당 전략을 비교하기 위해.
• 회로 전력이 무시할 수 없는 경우 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 간의 상호 교환 관계를 평가하기 위해.

제안 방법

• 최적 시간 할당을 도출하여 TDMA 기반 WPCN(T-WPCN)의 스펙트럼 효율성 최대화 문제를 최적화 후 단일 사용자 문제로 간주한다.
• SIC 하에서 최적 전력 할당의 구조를 활용하여 NOMA 기반 WPCN(N-WPCN)의 SE 최대화 문제를 단일 사용자 최적화 문제로 재구성한다.
• 모든 장치 $ k $ 에 대해 명시적으로 포함된 회로 전력 $ p_{\rm c,k} $ 를 고려하여 총 에너지 소비를 전송 에너지와 회로 에너지의 합으로 모델링한다.
• N-WPCN에서 각 장치의 에너지 인과성 제약 조건을 분석하여, 업링크 전송 시간 $ \bar{\tau}_1 $ 이 가장 열 劣한 다운링크 채널 이득과 가장 높은 회로 전력을 가진 사용자에 의해 제한됨을 보여준다.
• 유도된 최적 시간 할당을 바탕으로 다양한 시스템 파라미터 하에서 T-WPCN과 N-WPCN 간의 스펙트럼 효율성 및 총 에너지 소비를 비교한다.
• 다양한 전송 전력 $ P_{\rm E} $, 회로 전력 $ p_{\rm c,k} $, 사용자 수 $ K $ 를 가진 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 회로 에너지 소비를 고려할 때, 무선 전력 공급 IoT 네트워크에서 NOMA가 TDMA보다 스펙트럼 효율성을 향상시키는가?
• RQ2 에너지 제약이 있는 IoT 네트워크에서 NOMA가 TDMA보다 총 시스템 에너지 소비를 줄이는가?
• RQ3 '가장 나쁜 사용자 병목 현상 문제'는 NOMA 기반 WPCNs의 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 회로 전력이 증가할 경우, NOMA와 TDMA 간의 성능 격차에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 사용자 수 $ K $ 는 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 NOMA와 TDMA의 상대적 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• NOMA 기반 WPCNs(N-WPCN)는 TDMA 기반 WPCNs(T-WPCN)보다 더 긴 다운링크 무선 에너지 전송(WET) 시간이 필요하여 더 많은 에너지를 요구한다.
• 가장 나쁜 사용자 병목 현상으로 인해, 채널 이득이 가장 열 劣한 사용자가 모든 사용자의 업링크 전송 시간을 제한함으로써 N-WPCN은 T-WPCN보다 낮은 스펙트럼 효율성을 달성한다.
• 회로 전력 $ p_{\rm c,k} $ 가 증가할수록 N-WPCN과 T-WPCN 간의 성능 격차가 크게 벌어지며, N-WPCN은 Throughput 감소와 에너지 소비 증가로 인해 더 심각한 성능 저하를 겪는다.
• 사용자 수 $ K=50 $ 일 때, 다중사용자 다양성에 기인한 시간 할당 전략의 이점으로 인해 T-WPCN은 스펙트럼 효율성과 에너지 효율성 측면에서 N-WPCN을 앞서며, $ p_{\rm c,k} $ 가 증가할수록 그 격차가 더욱 확대된다.
• 회로 전력이 0일 경우, T-WPCN과 N-WPCN은 동일한 스펙트럼 효율성과 에너지 소비를 달성하므로, 성능 격차는 회로 전력이 비영일 때에만 발생함을 확인한다.
• 시뮬레이션 결과, 동일한 총 수확 에너지가 가용할 경우에도 N-WPCN이 더 많은 에너지를 소비하고 더 낮은 Throughput를 기록함을 확인하였으며, 이는 NOMA에서 더 높은 회로 에너지 소비로 인한 것이다.