[논문 리뷰] On Energy-Efficient NOMA Designs for Heterogeneous Low-Latency Downlink Transmissions.

Yanqing Xu, Chao Shen외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 06. 24.

Advanced Wireless Communication Technologies인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 샤논 용량 대신 유한 블록크기 부호(FBC)를 활용하여 엄격한 지연 시간 제약 조건 하에서 이중 사용자 다운링크 NOMA 시스템의 에너지 효율적인 자원 할당을 제안한다. 사용자별 지연 시간과 채널 조건에 기반한 적응형 간섭 완화 기법을 설계하였으며, 두 접근 방식의 장점을 결합하여 우수한 에너지 효율성을 달성하는 하이브리드 TDMA-NOMA 전송 방식을 도입하였다. FBC 공식의 볼록 근사화를 통해 계산 효율적인 해법을 제공한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 엄격하고 이질적인 지연 시간 제약 조건을 가진 다운링크 NOMA 시스템에서의 에너지 효율성 문제를 해결하기 위해.
• 엄격하고 비대칭적인 지연 요구 사항에서 기존의 연속적 간섭 제거(SIC)가 비가능한 문제를 해결하기 위해.
• 사용자별 채널 조건과 지연 제약 조건에 맞춘 적응형 간섭 완화 기법을 설계하기 위해.
• TDMA와 NOMA의 장점을 결합한 하이브리드 전송 방식을 개발하여 에너지 효율성을 향상시키기 위해.
• 비볼록적이고 암묵적인 에너지 목표 함수 하에서 전력 및 블록크기 할당 최적화를 계산적으로 효율적으로 수행할 수 있도록 하기 위해.

제안 방법

• 전통적인 샤논 용량 대신 블록크기, 신뢰성, 지연 시간 간의 상충 관계를 모델링하기 위해 유한 블록크기 부호(FBC) 용량 공식을 채택한다.
• 채널 조건과 지연 이질성에 기반한 사용자별 간섭 완화 전략을 설계하여 실현 가능한 연속적 간섭 제거를 가능하게 한다.
• NOMA와 TDMA를 특수 케이스로 포함하는 하이브리드 전송 방식을 제안하여 자원 공유의灵活性를 제공한다.
• 비볼금적 에너지 최소화 문제를 해석 가능한 형태로 변환하기 위해 FBC 용량 공식의 볼록 근사화를 도입한다.
• 유사 볼록 최적화 기법을 활용하여 최적화 문제를 해결함으로써 고품질이면서 계산적으로 효율적인 해를 확보한다.
• 에너지 효율성을 극대화하기 위해 블록크기 및 전력 할당을 최적화 변수로 설정하고, 지연 시간 및 신뢰성 제약 조건 하에서 최적화를 수행한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 엄격하고 이질적인 지연 제약 조건 하에서 NOMA 다운링크 시스템의 에너지 효율성을 어떻게 극대화할 수 있는가?
• RQ2 지연 시간과 채널 조건이 비대칭일 경우 SIC가 실패할 때, 어떤 간섭 완화 전략이 실현 가능하고 최적인가?
• RQ3 유한 블록크기 제약 조건 하에서 NOMA와 TDMA를 융합한 하이브리드 전송 방식이 순수 NOMA 또는 TDMA보다 에너지 효율성이 뛰어나게 되는가?
• RQ4 유한 블록크기 부호 하에서 비볼금적이고 암묵적인 에너지 최소화 문제를 어떻게 효율적으로 해결할 수 있는가?
• RQ5 지연 시간의 이질성이 NOMA 시스템에서 달성 가능한 에너지 효율성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 하이브리드 전송 방식은 NOMA와 TDMA의 장점을 융합함으로써 순수 NOMA보다 뛰어난 에너지 효율성을 달성한다.
• 지연 요구 사항이 매우 이질적일 경우, 순수 NOMA로는 최적의 에너지 효율성을 확보할 수 없으며, 이는 하이브리드 방식의 필요성을 강조한다.
• FBC 용량 공식의 볼록 근사화 기법 덕분에 비볼금적 최적화 문제에 대해 계산적으로 효율적이고 고품질의 해를 도출할 수 있다.
• 제안된 NOMA 설계의 실현 가능성 검증이 단순하여 실용적인 구현이 가능하다.
• 시뮬레이션 결과는 하이브리드 방식이 엄격한 지연 제약 조건 하에서 NOMA의 스펙트럼 효율성과 TDMA의 신뢰성을 동시에 확보함을 확인한다.