Analytical models and cross-layer delay optimization for resource allocation of noma downlink systems

Abstract

5G is introduced by 3rd Generation Partnership Project (3GPP) to satisfy the stringent delay and reliability requirements of 5G services such as industrial automation, augmented and virtual reality, and intelligent transportation. Non-orthogonal multiple access (NOMA) is one of the promising technologies for low latency services of 5G, where the system capacity can be increased by allowing simultaneous transmission of multiple users at the same radio resource. The resource allocation in NOMA systems including user scheduling and power allocation determine the mapping of users to radio resource blocks and the transmission power levels of users at each resource block, respectively. In this thesis, we first propose a genetic algorithm (GA) based multi-user radio resource allocation scheme for NOMA downlink systems. In our set-up, GA is used to determine the user groups to simultaneously transmit their signals at the same time and frequency resource while the optimal transmission power level is assigned to each user to maximize the geometric mean of user throughputs. The simulation results show that the GA based approach is a powerful heuristic to quickly converge to the target solution which balances the trade-off between total system throughput and fairness among users. The most of the resource allocation studies for NOMA systems including our GA based approach assumes full buffer traffic model where the incoming traffic of each user is infinite while the traffic in real life scenarios is generally non-full buffer. As the second contribution, we propose User Demand Based Proportional Fairness (UDB-PF) and Proportional User Satisfaction Fairness (PUSF) algorithms for resource allocation in NOMA downlink systems when traffic demands of the users are rate limited and time-varying. UDB-PF extends the PF based scheduling by allocating optimum power levels towards satisfying the traffic demand constraints of user pair in each resource block. The objective of PUSF is to maximize the network-wide user satisfaction by allocating sufficient frequency and power resources according to traffic demands of the users. In both cases, user groups are selected first to simultaneously transmit their signals at the same frequency resource while the optimal transmission power level is assigned to each user to optimize the underlying objective function. In addition, the GA is employed for user group selection to reduce the computational complexity. When the user traffic rate requirements change rapidly over time, UDB-PF yields better sum-rate (throughput) while PUSF provides better network-wide user satisfaction results compared to the PF based user scheduling. We also observed that the GA based user group selection significantly reduced the computational load while achieving the comparable results of the exhaustive search. The low latency objectives of URLLC services such as industrial control and automation, augmented and virtual reality, tactile Internet and intelligent transportation requires delay analysis which cannot be possible using the rate limited traffic demands. The packet based traffic model with random inter-arrival times and packet sizes have to be utilized. New analytical models using packet based traffic model with random inter-arrival times and packet sizes are of paramount importance to develop high performance resource allocation strategies satisfying the challenging latency requirements of 5G services. As the third contribution, we propose an analytical model to characterize the average queuing delay for NOMA downlink systems by utilizing a discrete time M/G/1 queuing model under a Rayleigh fading channel. The packet arrival process is assumed to be Poisson distributed while the departure process depends on network settings and resource allocation. The average queuing delay results of the analytical model are validated through Monte Carlo simulation experiments. One of the main results is that the ergodic capacity region of NOMA is a superset of OMA indicating that the NOMA can support higher service rate and lower latency using the same resources such as transmission power and bandwidth. Furthermore, the proposed analytical model is applied for the performance evaluation of the 5G NR concept when the NOMA is utilized. The model accurately predicts that the average queuing delay decreases when wider bandwidth and shorter time slot duration are employed in 5G NR. The outage probability becomes an important metric that should be minimized to address the reliability aspect of the URLLC services. We utilize the common outage condition such that the user fails either decoding its own signal or performing SIC for the signals of other users at the receiver when the SINR is lower than a predefined outage threshold. As the fourth contribution, the optimum power allocation for a single resource block that minimizes the system outage probability under Rayleigh fading channel, where a common signal to interference plus noise ratio (SINR) level is utilized as an outage condition, is provided as a closed form expression. The accuracy of the proposed optimum power allocation model is validated by the Monte Carlo simulations. The numerical results show that the outage probability of OMA with the fractional power allocation is lower than NOMA with the optimum power allocation. The results indicate that the trade-off between the outage and spectral efficiency in NOMA should be carefully controlled to meet higher throughput and lower latency objectives of 5G. The last contribution considers the reliability and latency aspects jointly such that the discrete time M/G/1 queuing model of a NOMA downlink system is extended by taking the outage condition into account. The departure process of the queuing model is characterized by obtaining the first and second moment statistics of the service time that depends on the resource allocation strategy and the packet size distribution. The proposed model is utilized to obtain the optimum power allocation that minimizes the maximum of the average queuing delay (MAQD) for a two-user network scenario. The Monte Carlo simulation experiments are performed to numerically validate the model by providing MAQD results for both NOMA and orthogonal multiple access (OMA) schemes. The results demonstrate that the NOMA achieves lower latency for low SINR outage thresholds while its performance is degraded faster than OMA as the SINR outage threshold increases such that OMA outperforms NOMA beyond a certain threshold. Another important result is that the latency performance of NOMA is significantly degraded when the 5G NR frame types having wider bandwidth are utilized. The results provide powerful insights for 5G ultra-reliable low-latency communication (URLLC) services.

3GPP tarafından tanımlanan 5G standartlarında endüstriyel kontrol ve otomasyon, artırılmış ve sanal gerçeklik ve akıllı ulaşım gibi düşük gecikme ve yüksek güvenilirlik gerektiren servisler öne çıkmaktadır. Dikgen olmayan çoklu erişim (NOMA) teknolojisi ile aynı radyo kaynağında birden fazla kullanıcının aynı anda iletilmesine olanak sağlayarak sistem kapasitesi artırılabilir. Böylece NOMA, 5G'nin düşük gecikmeli servislerini destekleyebilecek önemli teknolojilerden birisi olarak değerlendirilmektedir. Aynı radyo kaynağına atanacak kullanıcı gruplarının belirlenmesi ve her bir kullanıcı grubu içerisindeki güç tahsis seviyelerinin belirlenmesi ile tanımlanan NOMA sistemlerindeki radyo kaynak yönetimi ile, kullanıcıların veri çıktısı ve gecikme seviyeleri belirlenebilmektedir. Bu tezde, ilk olarak aşağı yönlü NOMA sistemlerinde kaynak yönetimi için genetik algoritma (GA) tabanlı çok kullanıcılı radyo kaynağı tahsis şeması önerilmiştir. Önerilen yöntemde genetik algoritma, aynı zaman ve frekans kaynağını paylaşmak üzere seçilen kullanıcı gruplarının belirlenmesinde kullanılırken, her bir kullanıcı grubu içerisinde kullanıcı veri çıktılarının geometrik ortalamasını en üst düzeye çıkaran en uygun iletim gücü seviyesi atanmaktadır. Simülasyon sonuçları, GA tabanlı yaklaşımın, toplam veri çıktısı ile kullanıcılara tahsis edilen veri çıktıları arasındaki adaleti birlikte değerlendirerek hedef çözüme verimli bir şekilde ulaşmada kullanılanılabilecek güçlü bir sezgisel yöntem olduğunu göstermektedir. Önerdiğimiz GA tabanlı yaklaşım da dahil olmak üzere, NOMA sistemleri için kaynak tahsisi için literatürde önerilen çalışmalarının çoğu, baz istasyonunda kullanıcılara iletilmek üzere sonsuz trafik olduğunu varsaymaktadır. Pratik uygulama alanlarında kullanılmak üzere radyo tahsis şemaları önerebilmek için kullanıcıların trafiğinin sonlu olduğu durumlar göz önüne alınmalıdır. Tez çalışmasındaki ikinci katkı olarak, kullanıcıların trafik talepleri sınırlı ve zaman içinde değiştiği durumda, aşağı yönlü NOMA sistemlerinde kaynak tahsisi için iki yeni kaynak tahsis algoritması önerilmiştir. Bunlar, kullanıcı talebine dayalı oransal adalet (UDB-PF) ve orantılı kullanıcı memnuniyeti adaleti (PUSF) algoritmaları olarak isimlendirilmiştir. UDB-PF, literatürde önerilmiş olan oransal adalet (PF) tabanlı tahsis algoritmasını her kaynak bloğundaki kullanıcı çiftinin trafik talebi kısıtlamalarını göz önüne alarak optimum güç seviyeleri tahsis edilmesi şeklinde tanımlanmaktadır. PUSF yönteminde ise, kullanıcıların trafik taleplerine göre radyo kaynakları tahsis edilerek, kullanıcıya atanan kapasitenin kullanıcı talebine oranı olarak tanımlanan kullanıcı memnuniyet parametresi, orantısal adaletli bir şekilde en üst düzeye çıkarılmaktadır. Her iki yöntem de, sinyallerini aynı radyo kaynağında iletecek kullanıcı gruplarını belirleme ve kullanıcı grubu içerisindeki güç tahsis oranlarını birlikte değerlendirerek en uygun atamayı gerçekleştirir. Ayrıca, işlem yoğunluğunu azaltmak amacıyla kullanıcı grubu seçimi için genetik algoritma (GA) yaklaşımı önerilmiştir. Simülasyon sonuçları göstermektedir ki, kullanıcı trafik gereksinimleri zaman içinde hızla değiştiğinde, UDB-PF daha yüksek veri çıktısı oluştururken, PUSF, ağ genelinde en iyi kullanıcı memnuniyeti sonucu sağlamaktadır. Önerilen GA tabanlı kullanıcı grubu seçiminin, kapsamlı arama ile gerçekleştirilen grup seçimine göre benzer performans sonuçlarına ulaşırken hesaplama yükünü önemli ölçüde azalttığı gözlenmiştir. Kullanıcı veri gereksinimlerinin sınırlı olduğu trafik modeli kullanılması, URLLC servislerinin gecikme dinamiklerinin araştırılması için yeterli olmadığından, paket tabanlı, rastgele varış süreleri ve farklı paket uzunluklarının göz önüne alındığı trafik modeli kullanılarak NOMA sistemleri incelenmelidir. 5G hücresel haberleşme sistemlerinde gecikme dinamiklerini karakterize edebilen yeni analitik modeller, 5G hizmetlerinin zorlu gereksinimlerini karşılayan yüksek performanslı kaynak tahsis stratejileri geliştirmek için büyük önem taşımaktadır. Bu nedenle, tez kapsamında üçüncü olarak, Rayleigh solma kanalı altında ayrık zaman ayrık durum M/G/1 kuyruklama modeli kullanarak aşağı yönlü NOMA sistemleri için ortalama kuyruk gecikmesini belirleyen analitik model önerilmiştir. Bu modelde, paket varış süreci Poisson dağılımlı varsayılırken, ayrılma süreci ağ koşullarına ve kullanılan kaynak tahsis yöntemine bağlı olarak belirlenmiştir. Analitik model ile elde edilen ortalama kuyruk gecikme sonuçları Monte Carlo simülasyon deneyleri örtüşmektedir. Sonuçlar, NOMA'nın dikgen çoklu erişimden (OMA) daha yüksek kapasite bölgesine sahip olması ile, daha yüksek servis hızını ve daha düşük gecikmeyi destekleyebileceğini göstermektedir. Ek olarak, önerilen analitik model, 5G yeni radyo (NR) parametreleri altında NOMA kullanıldığı durum için performans değerlendirmeleri sunulmuştur. Buradaki sonuçlara göre önerilen analitik model, 5G NR ile daha geniş bant genişliği ve daha kısa zaman aralığındaki çerçeve yapıları için, hem OMA hem de NOMA için ortalama kuyruk gecikmesinin azaldığını doğru bir şekilde tahmin etmektedir. Hücresel şebekelerde güvenilirliğe duyarlı uygulamaların ve hizmetlerin çoğalmasıyla, gelişmiş kablosuz haberleşme sistemlerinde yüksek güvenilirlik gereksinimini desteklemek için kesinti olasılığı, en aza indirilmesi gereken önemli bir ölçüt haline gelmektedir. Tez kapsamında dördüncü olarak, ortak sinyal girişim artı gürültü oranı (SINR) seviyesi göz önüne alınarak Rayleigh solma kanalı altında aşağı yönlü NOMA sistemlerinde kesinti olasılığı analiz edilmektedir. Ayrıca, tek bir kaynak bloğu için sistem kesintisi olasılığını en aza indiren optimum güç tahsisi kapalı form şeklinde sunulmuştur. Önerilen analitik model Monte Carlo simülasyonları ile doğrulanırken, optimum güç dağılım yönteminin performans analizleri gerçekleştirilmiştir. Sayısal sonuçlarda kesinti olasılığının güç tahsisine göre değişimi raporlanırken, önerilen yöntemin diğer güç ataması algoritmalarına göre en iyi sonucu verdiği gösterilmektedir. Bunun yanında, NOMA için optimum güç tahsis algoritması kullanıldığında bile OMA'ya göre daha kötü performans verdiği gözlenmiştir. Sonuçlar, NOMA'daki kesinti ve spektral verimlilik arasındaki dengenin, 5G sistemlerde daha yüksek verim ve düşük gecikme hedeflerini karşılamak için dikkatle kontrol edilmesi gerektiğini göstermektedir. Tez kapsamında son olarak, aşağı yönlü NOMA sistemlerinde, kullanıcının kendi sinyalini çözme veya ardışık girişim giderici (SIC) gerçekleştirebilmesi için gerekli olan SINR kesinti seviyesini göz önüne alan, genişletilmiş ayrık zaman ayrık durum M/G/1 kuyruk modeli önerilmiştir. Önerilen genişletilmiş kuyruk modelinin ayrılma süreci, kaynak tahsisi stratejisine ve paket büyüklüğü dağılımına bağlı olarak servis süresinin birinci ve ikinci moment istatistiklerinin elde edilmesiyle karakterize edilmektedir. Ayrıca, iki kullanıcılı bir ağ senaryosu için önerilen model kullanılarak en büyük ortalama kuyruk gecikmesinin (MAQD) tek bir noktada en az olduğu ispatlanmıştır. Bununla birlikte, altın bölüm arama (golden section search) yöntemi kullanılarak en düşük MAQD değerini sağlayan optimum güç tahsisi elde edilmiştir. Monte Carlo simülasyon deneyleri ile hem NOMA hem de OMA için MAQD sonuçları elde edilerek önerilen genişletilmiş analitik yöntemin doğrulaması gerçekleştirilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki, düşük SINR kesinti eşikleri için NOMA ile daha düşük gecikme değerleri elde edilirken, SINR kesinti eşiği arttıkça gecikme süresindeki artış OMA ile kıyaslandığında fazla olmaktadır. Bunun sonucu olarak, belirli bir SINR eşik seviyesi üzerinde OMA ile elde edilen gecikme, NOMA kullanıldığı duruma göre daha düşük olmaktadır. Daha geniş bant genişliğine sahip 5G NR çerçeve tipleri kullanıldığında NOMA ile elde edilen gecikmenin önemli ölçüde artması bir başka önemli sonuç olarak raporlanmıştır. Tez kapsamında geliştirilen analitik modeller, 5G ultra güvenilir düşük gecikmeli iletişim (URLLC) hizmetleri için zorlu gecikme ve güvenilirlik ihtiyaçlarını karşılayan radyo kaynağı yönetimi için önemli bilgiler sağlamaktadır.