[论文解读] 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 6

一句话总结

本文提出了一种基于交替优化的节能背向散射辅助协作非正交多址（NOMA）系统，旨在联合最大化频谱效率与能量效率，同时应对非完美连续干扰 cancellation（SIC）的挑战。该方法提出了一种三阶段算法，分别优化源发射功率、功率分配系数与中继功率，同时采用联合设计的QC-LDPC码与Sum-Product Algorithm（SPA）译码器，显著提升了远用户在极少译码迭代次数下的误比特率（BER）性能。

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.

研究动机与目标

• 通过利用环境背向散射通信技术延长电池寿命，解决B5G网络中能量受限的物联网设备所面临的问题。
• 在背向散射与中继功率预算受限的协作NOMA系统中，提升频谱效率与能量效率。
• 通过先进的编码与译码技术，克服因间接链路与恶劣信道条件导致的远用户性能退化。
• 在非完美SIC译码条件下，通过联合管理发射功率、功率分配与中继功率，在满足服务质量（QoS）与功率约束的前提下优化系统性能。

提出的方法

• 构建一种交替优化框架，将联合能量效率最大化问题分解为三个子问题：源发射功率、功率分配系数（PAC）与中继功率。
• 应用一种三阶段低复杂度算法，通过迭代方式分别优化各变量，同时满足QoS、功率预算与协作约束。
• 提出一种新型的$(\Omega,f,\chi;\Xi)$-CBSEC基础的联合设计准循环低密度奇偶校验（QC-LDPC）码，专为远用户数据量身定制。
• 采用基于Sum-Product Algorithm（SPA）的联合迭代译码器，联合解码远用户数据，以最少的译码迭代次数实现优异的误码纠正性能。
• 在瑞利衰落信道与非完美SIC条件下建模系统，其中干扰参数$\eta$用于表征残留用户间干扰。
• 通过仿真评估，采用真实参数（如30 dBm源发射功率、10 dBm中继功率、-114 dBm噪声电平）验证系统性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在非完美SIC与有限功率预算条件下，如何最大化背向散射辅助协作NOMA系统的能量效率？
• RQ2 非完美SIC参数$\eta$对系统能量效率与收敛行为有何影响？
• RQ3 在具备背向散射功能的协作NOMA系统中，联合设计的QC-LDPC码是否能显著提升远用户在极少译码迭代次数下的BER性能？
• RQ4 与非背向散射（NBST）与传统背向散射（WBST）系统相比，所提系统在能量效率与误码纠正能力方面表现如何？

主要发现

• 所提系统在所有非完美SIC参数$\eta$取值下，能量效率均优于NBST系统，且随着$\eta$增大，性能退化程度加剧。
• 电路功率$P_c$越高，能量效率越低，但所提算法在$\eta$取值为0.1、0.2、0.4时，始终仅需5次迭代即可收敛。
• 联合设计的QC-LDPC码使远用户获得优异的误比特率（BER）性能，在瑞利衰落信道下仅需5–6次译码迭代即可实现低BER。
• 三阶段交替优化算法收敛迅速且保持低复杂度，适用于B5G网络中的实时部署。
• 系统对非完美SIC具有鲁棒性，收敛性不受$\eta$影响，尽管近用户因干扰增加导致性能下降。
• 所提WBST（无线背向散射传输）系统在能量效率方面优于NBST系统，尤其在$\eta$与$P_c$较高的条件下优势更为显著。