[论文解读] On Energy-Efficient NOMA Designs for Heterogeneous Low-Latency Downlink Transmissions.

Yanqing Xu, Chao Shen+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 9

一句话总结

本文通过采用有限块长度编码（FBC）而非香农容量，提出了一种在严格时延约束下针对两用户下行链路非正交多址（NOMA）系统的节能资源分配方法。该方法基于用户特定的时延和信道条件设计自适应干扰消除方案，并提出一种混合时分多址（TDMA）-NOMA传输方案，通过结合两种接入方式的优势，实现更高的能量效率，同时利用FBC公式凹近似方法实现计算高效的解决方案。

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.

研究动机与目标

• 解决具有异构时延约束的下行链路NOMA系统中的能量效率问题。
• 克服在严格且不对称时延要求下传统连续干扰消除不可行的问题。
• 设计针对用户特定信道条件和时延约束的自适应干扰消除策略。
• 开发一种结合TDMA与NOMA的混合传输方案，以提升能量效率。
• 实现非凸、隐式能量目标下功率与块长分配的计算高效优化。

提出的方法

• 采用有限块长度容量公式建模块长、可靠性与时延之间的权衡，替代经典香农容量。
• 基于信道条件与时延异构性设计用户特定的干扰消除策略，实现可行的连续干扰消除。
• 提出一种混合传输方案，将NOMA与TDMA作为特例统一，实现灵活的资源共享。
• 引入FBC容量公式的凹近似，将非凸能量最小化问题转化为可处理形式。
• 利用凸松弛技术求解所得优化问题，获得高质量且计算高效的解。
• 以块长和功率分配为优化变量，在时延与可靠性约束下最大化能量效率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在严格且异构的时延约束下，如何最大化NOMA下行链路系统的能量效率？
• RQ2 当连续干扰消除因时延与信道条件的不对称性而失败时，哪些干扰消除策略是可行且最优的？
• RQ3 在有限块长度约束下，结合NOMA与TDMA的混合传输方案是否能在能量效率上优于纯NOMA或纯TDMA？
• RQ4 如何在有限块长度编码下高效求解非凸且隐式的能量最小化问题？
• RQ5 时延异构性对NOMA系统可实现能量效率有何影响？

主要发现

• 所提出的混合传输方案通过结合NOMA与TDMA的优势，其能量效率优于纯NOMA。
• 当时延需求高度异构时，仅靠NOMA无法实现最优能量效率，凸显了混合方案的必要性。
• FBC容量公式的凹近似方法使非凸优化问题能够获得计算高效且高质量的解。
• 所提NOMA设计方案的可行性检查简单，有利于实际部署。
• 仿真结果证实，该混合方案在严格时延约束下兼具NOMA的频谱效率与TDMA的可靠性优势。