[论文解读] Spectral and Energy Efficient Wireless Powered IoT Networks: NOMA or TDMA?

Qingqing Wu, Wen Chen+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 12被引用 7

一句话总结

本文研究在无线供能物联网网络中，非正交多址接入（NOMA）相较于时分多址接入（TDMA）是否能提升频谱效率和能量效率。通过联合优化时隙分配并考虑电路能量消耗，研究发现由于‘最差用户瓶颈’和更高的电路功耗，基于NOMA的无线供能网络（WPCNs）比基于TDMA的系统需要更多能量，且频谱效率更低。

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.

研究动机与目标

• 确定在能量受限的无线供能物联网网络中，NOMA是否相比TDMA能提升频谱效率（SE）并降低总能量消耗。
• 通过引入通常被忽略但对低功耗物联网设备至关重要的电路能量消耗，弥补现有文献中的空白。
• 分析多用户NOMA系统中‘最差用户瓶颈问题’的影响，即信道条件最差的用户限制了所有用户的上行链路传输时长。
• 在能量因果性约束下，比较TDMA和NOMA在WPCNs中的最优时隙分配策略。
• 评估当电路功耗不可忽略时，频谱效率与能量效率之间的权衡。

提出的方法

• 推导基于TDMA的WPCN（T-WPCN）中频谱效率最大化的最优时隙分配，将其在优化后视为单用户问题处理。
• 通过利用SIC下最优功率分配的结构，将基于NOMA的WPCN（N-WPCN）的SE最大化问题建模为单用户优化问题。
• 将总能量消耗建模为发射能量与电路能量之和，其中每个设备 $ k $ 的电路功率 $ p_{\rm c,k} $ 明确包含在内。
• 分析N-WPCN中每个设备的能量因果性约束，表明上行链路传输时间 $ \bar{\tau}_1 $ 受限于下行链路信道增益最差且电路功率最高的用户。
• 利用推导出的最优时隙分配，比较在不同系统参数下T-WPCN与N-WPCN之间的频谱效率和总能量消耗。
• 通过仿真验证理论结果，参数包括发射功率 $ P_{\rm E} $、电路功率 $ p_{\rm c,k} $ 和用户数 $ K $。

实验结果

研究问题

• RQ1 在考虑电路能量消耗的情况下，NOMA是否相比TDMA在无线供能物联网网络中提升了频谱效率？
• RQ2 在能量受限的物联网网络中，NOMA是否相比TDMA降低了总系统能量消耗？
• RQ3 ‘最差用户瓶颈问题’如何影响基于NOMA的WPCNs的性能？
• RQ4 随着电路功率增加，NOMA与TDMA在WPCNs中的性能差距有何变化？
• RQ5 用户数 $ K $ 如何影响NOMA与TDMA在频谱效率和能量效率方面的相对性能？

主要发现

• 基于NOMA的WPCNs（N-WPCN）所需的下行链路无线能量传输（WET）时间比基于TDMA的WPCNs（T-WPCN）更长，导致其能量需求更高。
• 由于‘最差用户瓶颈问题’，N-WPCN的频谱效率低于T-WPCN，即信道增益最差的用户限制了所有用户的上行链路传输时长。
• 随着电路功率 $ p_{\rm c,k} $ 增加，N-WPCN与T-WPCN之间的性能差距显著扩大，N-WPCN的吞吐量下降更剧烈，能量消耗更高。
• 当 $ K=50 $ 时，由于时隙分配中的多用户分集增益，T-WPCN在频谱效率和能量效率方面均优于N-WPCN，尤其在 $ p_{\rm c,k} $ 较高时更为明显。
• 当电路功率为零时，T-WPCN与N-WPCN的频谱效率和能量消耗完全相同，证实性能差距仅在电路功率非零时出现。
• 仿真结果确认，即使可用总采集能量相同，最优N-WPCN的能耗更高且吞吐量更低，这是由于NOMA中更高的电路能量消耗所致。