بهینه سازی منابع برای سیستم دسترسی چندگانه غیر متعامد در شبکه های موبایلی سبز

نوع مقاله : مقاله برق

نویسندگان

1 دانشکده مهندسی صنایع و سیستم ها، دانشگاه صنعتی اصفهان

2 دانشکده مهندسی برق و کامپیوتر، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران

چکیده

دسترسی چندگانه غیر متعامد (NOMA) به‌عنوان یکی از تکنیک‌های کلیدی در شبکه‌های موبایلی نسل جدید مطرح هست که با استفاده از روش حذف تداخل به‌صورت متوالی (SIC)، می‌تواند بهره‌وری طیفی را بهبود ببخشد. با این روش، کاربران می‌توانند از کانال مشترک استفاده کنند. استفاده بهینه از منابع طیفی و توانی و نیز گروه‌بندی کارآمد کاربران جزو جنبه‌های مهم شبکه‌های مخابراتی سبز NOMA هستند. در این مقاله، فرض می‌کنیم کاربران مختلف بر اساس بهره کانال خود، در سه ناحیه نزدیک، میانی و دور نسبت به ایستگاه پایه در یک سلول پراکنده شده‌اند. برای دوری از بروز تداخل و SIC ناقص در استفاده هم‌زمان از مزیت‌های NOMA، سناریویی شامل گروه‌بندی سه کاربری در نظر می‌گیریم. صرفه-جویی در منابع طیفی و توانی از ویژگی‌های سناریوی NOMA سبز هست. در ادامه با هدف تخصیص بهینه منابع در شبکه سلولی NOMA، مسئله بهینه‌سازی ضرایب اختصاصی توان به کاربران را تحت افزایش گذردهی کلی سیستم پیشنهاد می‌کنیم. با اختصاص مناسب توان به ایستگاه پایه و کاربران، می‌توان مصرف توان را بهینه کرد و با توان معینی، بهره‌وری مطلوبی در شبکه سلولی فراهم آورد. برای یافتن ضرایب بهینه اختصاصی توان به کاربران، به اثبات مقعر/محدب بودن مسئله بهینه‌سازی می‌پردازیم، سپس از Lagrangian و شرایط KKT استفاده می‌کنیم. مطابق با نتایج به دست آمده، طرح پیشنهادی بهبود 6.97 درصدی در SNR های پایین و بهبود یک درصدی در SNR های بالا نسبت به NOMA با ضرایب توان ثابت، از نظر ظرفیت کلی فراهم می آورد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Resource Optimization for the Non-Orthogonal Multiple Access System in Green Mobile Networks

نویسندگان [English]

  • MOHSEN SHAHRIARI 1
  • Farid Tabee miandoab 2
1 Isfahan University of Technology
2 Department of Electrical and Computer Engineering, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
چکیده [English]

Non-orthogonal multiple access (NOMA) as one of the key techniques is nominated in new generation of mobile networks that can improve spectral efficiency by using the successive interference cancellation (SIC) method. By this method, users can use a shared channel. Optimal use of spectral and power resources as well as efficient users clustering are important aspects of green NOMA communication networks. In this paper, we assume different users based on their channel gains are dispersed in three near, middle, and far areas to the base station in a cell. To avoid interference and imperfect SIC at the use of NOMA benefits simultaneously, we consider a scenario including grouping of three users. Saving spectral and power resources is the feature of the green NOMA scenario. In the following, with the aim of optimal resource allocation in the NOMA cellular network, we propose the optimization problem of power allocation coefficients to users under increasing the overall system throughput. Power consumption can be optimized by properly allocating power to the base station and users, and with a certain power, can provide a desirable efficiency in the cellular network. To find the optimal power allocation coefficients to users, we prove that the optimization problem is concave/convex, then we apply Lagrangian and KKT conditions. According to the achieved results, the proposed scheme provides a 6.97% improvement in low SNRs and a 1% improvement in high SNRs compared to NOMA with constant power coefficients in terms of the sum capacity.

کلیدواژه‌ها [English]

  • NOMA
  • Spectral efficiency
  • Optimal power allocation
  • Optimization
  • Green communications

مراجع

[1] M. Aldababsa, M. Toka, S. Gökçeli, G. K. Kurt and O. Kucur, "A Tutorial on Non-orthogonal Multiple Access for 5G and Beyond", Wireless Communications and Mobile Computing, 2018,  https://doi.org/10.1155/2018/9713450
[2] A. Srivastava, M.S. Gupta and G. Kaur, "Energy efficient transmission trends towards future green cognitive radio networks (5G): Progress, taxonomy and open challenges‏", Journal of Network and Computer Applications, 2020.
[3] V. Basnayake and et al., "A new green prospective of non-orthogonal multiple access (NOMA) for 5G", Information, Vol. 11, No. 2, 2020.
[4] Y. Liu, G. Pan, H. Zhang and M. Song, "On the Capacity Comparison Between MIMO-NOMA and MIMO-OMA", IEEE Access, Vol. 4, No. 5, 2016, pp. 2123-2129.
[5] S.R. Islam, N. Avazov, Q.A. Dobre and K.-S. Kwak, "Power-domain non-orthogonal multiple access (NOMA) in 5G systems: Potentials and challenges", IEEE Communications Surveys & Tutorials, Vol. 19, No. 2, 2017, pp. 721-742.
[6] K. Lu, Z. Wu and X. Shao, "A Survey of Non-Orthogonal Multiple Access for 5G", 2017 IEEE 86th Vehicular Technology Conference (VTC-Fall), Toronto, ON, 2017, pp. 1-5.
[7] Z. Ding, F. Adachi and H.V. Poor, "The application of MIMO to non-orthogonal multiple access", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 15, No. 1, 2016, pp. 537-552.
[8] A. Fehske, G. Fettweis, J. Malmodin and G. Biczok, "The global footprint of mobile communications: The ecological and economic perspective", IEEE Communications Magazine, Vol. 49, 2011, pp. 55–62.
[9] J.G. Andrews et al., "What Will 5G Be?", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, Vol. 32, No. 6, 2014, pp. 1065-1082.
[10] F.T. Miandoab and B. M. Tazehkand, "A user pairing method to improve the channel capacity for multiuser MIMO channels in downlink mode based on NOMA", Computer Communications, Vol. 146, 2019, pp. 15-21.
[11] T. Lv, Y. Ma, J. Zeng and P.T. Mathiopoulos, "Millimeter-Wave NOMA Transmission in Cellular M2M Communications for Internet of Things", IEEE Internet of Things Journal, Vol. 5, No. 3, 2018, pp. 1989-2000.
[12] F. Tabee Miandoab and B.M. Tazehkand, "NOMA performance enhancement-based imperfect SIC minimization using a novel user pairing scenario involving three users in each pair", Wireless Networks, Vol. 26, 2020, pp. 3735–3748.
[13] F. Fang, H. Zhang, J. Cheng and V.C.M. Leung, "Energy efficiency of resource scheduling for non-orthogonal multiple access (NOMA) wireless network", 2016 IEEE International Conference on Communications (ICC), Kuala Lumpur, 2016, pp. 1-5.
[14] L. Lei, D. Yuan and P. Värbrand, "On Power Minimization for Non-orthogonal Multiple Access (NOMA)", in IEEE Communications Letters, Vol. 20, No. 12, 2016, pp. 2458-2461.
[15] Md. F. Uddin, "Energy efficiency maximization by joint transmission scheduling and resource allocation in downlink NOMA cellular networks", Computer Networks, Vol. 159, 2019, pp. 37-50.
[16] Y. Zhang and et al., "Energy-efficient transmission design in non-orthogonal multiple access", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 66, No. 3, 2017, pp. 2852-2857.
[17] H. Zhang, B. Wang, C. Jiang, K. Long, A. Nallanathan, V.C. M. Leung and H.V. Poor, "Energy efficient dynamic resource optimization in NOMA system", IEEE Transactions on Wireless Communications, Vol. 17, No. 9, 2018, pp. 5671-5682.
[18] M. Zeng, A. Yadav, O.A. Dobre and H.V. Poor, "Energy-efficient power allocation for MIMO-NOMA with multiple users in a cluster", IEEE Access, Vol. 6, 2018, pp. 5170-5181.
[19] P. Jain and A. Gupta, "Adaptive NOMA towards 5G green wireless network", Transactions on Emerging Telecommunications Technologies, Vol. 31, 2020.
[20] Y. Zhang and et al., "Energy-Efficient Transmission Design in Non-Orthogonal Multiple Access", IEEE Transactions on Vehicular Technology, Vol. 66, 2017, p. 2852–2857.
[21] R. Khan and et al., "A Machine Learning Based Energy-Efficient Non-Orthogonal Multiple Access Scheme", in In Proceedings of the International Forum on Strategic Technology, Tomsk, Russia, October 2019.
[22] R. Ruby and et al., "Enhanced energy-efficient downlink resource allocation in green non-orthogonal multiple access systems"‏, Computer Communications, Vol. 139, 2019, pp. 78-90.
[23] L. Lei, D. Yuan and P. Värbrand, "On power minimization for non-orthogonal multiple access (NOMA)", IEEE Communications Letters., Vol. 20, No. 12, 2016, pp. 2458-2461.
[24] علی ابراهیمی، احمد حاجی‌پور و حمیدرضا توکلی، «موقیعت‌یابی در اینترنت اشیا با استفاده از الگوریتم بهینه‌سازی ازدحام ذرات مرتبه کسری آشوبی»، مجلة مدل‌سازی در مهندسی، دور» 18، شمارة 60 ، 1399، صفحة 157-168.
[25] محمد علیزاده، میثم جعفری نوکندی و یامین سلطان مرادی، «مدل‌سازی و بهینه‌سازی مصرف انرژی در خانة هوشمند با حضور ذخیره‌ساز انرژی، سلول خورشیدی، خودروی برقی و پاسخ‌گویی بار»، مجلة مدل‌سازی در مهندسی، دورة 17، شمارة 57، تابستان 1398، صفحة 215-226.
[26] محمدرضا انصاری و ایمان همت، «بهینه‌سازی و کنترل خودروهای هیبریدی با در نظر گرفتن جرایم مربوط به آلایندگی و براساس الگوریتم PSO»، مجلة مدل‌سازی در مهندسی، دورة 17، شمارة 57 ، تابستان 1398، صفحة 227-239.
[27] M.F. Hanif, Z. Ding, T. Ratnarajah and G.K. Karagiannidis, "A Minorization-Maximization Method for Optimizing Sum Rate in the Downlink of Non-Orthogonal Multiple Access Systems", in IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 64, No. 1, 2015, pp. 76-88.
[28] Z. Chen, Z. Ding, X. Dai and R. Zhang, "An Optimization Perspective of the Superiority of NOMA Compared to Conventional OMA", in IEEE Transactions on Signal Processing, Vol. 65, No. 19, 2017, pp. 5191-5202.
[29] I. Abu Mahady, E. Bedeer, S. Ikki and H. Yanikomeroglu, "Sum-Rate Maximization of NOMA Systems Under Imperfect Successive Interference Cancellation", in IEEE Communications Letters, Vol. 23, No. 3, 2019, pp. 474-477.
[30] J. Kang and I. Kim, "Optimal User Grouping for Downlink NOMA", in IEEE Wireless Communications Letters, Vol. 7, No. 5, 2018, pp. 724-727.
[31] J. Cui, Z. Ding and P. Fan, "A Novel Power Allocation Scheme Under Outage Constraints in NOMA Systems", in IEEE Signal Processing Letters, Vol. 23, No. 9, 2016, pp. 1226-1230.
[32] M.S. Ali, H. Tabassum and E. Hossain, "Dynamic User Clustering and Power Allocation for Uplink and Downlink Non-Orthogonal Multiple Access (NOMA) Systems", IEEE Access, Vol. 4, 2016 pp. 6325-6343.
[33] M. S. Ali, E. Hossain, A. Al-Dweik and D. I. Kim, "Downlink Power Allocation for CoMP-NOMA in Multi-Cell Networks," IEEE Transactions on Communications, Vol. 66, No. 9, 2018, pp. 3982-3998.
[34] S.P. Boyd and L. Vandenberghe, Convex optimization, Cambridge University Press, 2004.‏
 
مدل سازی در مهندسی
دوره 19، شماره 67
دی 1400
صفحه 33-45

فایل ها

سابقه مقاله

  • تاریخ دریافت: 01 اسفند 1399
  • تاریخ بازنگری: 03 شهریور 1400
  • تاریخ پذیرش: 09 شهریور 1400

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار