基于NOMA的实时工业物联网的基站选址问题的复杂性及解法

中文题目：基于NOMA的实时工业物联网的基站选址问题的复杂性及解法

论文题目：Complexity and algorithm of setting optimal location for data sink in real-time NOMA-based IIoTs

录用期刊：Computer Communications（JCR-Q1, CCF C）

录用时间：2023年10月30日

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封面摘要：

本文研究了基于非正交多址(NOMA)的工业物联网（IIoT），如何通过为数据基站设置合适的位置来最小化平均访问延迟，我们对问题进行建模，证明了其复杂性，并提出了一种启发式算法。

作者列表：

1) 徐朝农 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机系教师

2) 谢雅琪 中国石油大学（北京） 信息科学与工程学院 计算机科学与技术 研19

3) 李超 之江实验室

摘要：

实时性能是工业物联网（IIoT）应用最重要的指标之一，数据基站和无线传感器之间的相对地理关系对实时性能有很大影响。由于工业物联网中无线传感器的位置通常是固定的，因此为数据集站设置合适的位置是提高实时性能的有效方法。在本文中，我们研究基于非正交多址（NOMA）的工业物联网，并考虑如何通过设置合适的数据基站位置来最小化平均访问延迟时间。我们描述了这个问题，证明了问题的复杂性，并提出算法，将这个问题映射为经典的图的最小链覆盖数问题，使得这个问题、算法易于处理。仿真结果表明，由于充分利用了 NOMA 并行性，在一些典型设置下实时性能提高了60%以上，在线性网络拓扑下甚至可以达到70%。

背景与动机：

工业物联网（IIoT）为了掌握生产流程并保证生产安全，安装了大量无线传感器来感知环境，然后将感知到的信息发送到数据基站。基站收集这些感知到的信息进行实时分析或者在线存储。对于一些大规模的超可靠的低延迟通信（URLLC）场景，甚至可能需要低至几毫秒的最大延迟。因此，上行传输中的实时性能是这些场景中最重要的指标之一。

设计与实现：

1、网络建模及问题建模

本文考虑了一个网络模型，如图1所示。

图 1 网络模型

为了对问题有一个清晰的描述，我们有以下定义：

定义1 可解码序列：一个用户序列

，若

，并且

，

。

进而可以得到引理1，引理1是判断可解码系列的充分条件，具体可见论文。

从而，问题可以建模为

其中，

是当用户

被安排在第j个时槽时，来自其他信号的干扰。

是用户UE的调度策略。

2、算法设计

将问题转化为图的最小链覆盖问题，并提出了一种启发式算法。该算法为每个候选区域生成一有向无环图内并且将原问题映射到该图的最小链覆盖问题中，如图2所示，从而计算该候选区域的最小平均访问时延及其调度策略，其中图的最小链覆盖问题可以通过最大匹配算法求解。

图2最小链划分及其对应的调度策略

实验结果及分析：

我们考虑了一个无线网络，有多个用户和一个配备有迭代式SIC的数据基站。实验的工作区域是一个100平方米对的正方形区域，其中随机放置一定数量的无线传感器节点作为用户。数据基站的允许建造区域是一个400平方米的正方形区域，其中心点与工作区域的中心点重合 。环境噪声的功率

是-116dBm。所有用户的传输功率是0dBm。

在第一个实验中，我们研究了针对于不同的系统参数即信道衰减因子和解码阈值下的时延性能。

图3衰减因子和解码阈值下的最小帧长

在第二个实验中，我们比较了不同用户数量下的算法性能。

图4 不同用户数量的平均帧长

在第三个实验中，进一步探讨了传感器的位置分布对平均帧长度的影响，除了随机分布，还设计了几种不同的用户位置分布来代表一些典型的工业场景下的布设方式。可以看出，当用户以等间隔的线性排列时，最小帧长度比在随机分布的情况下要短。

图5 用户布设下的平均帧长

小结：

在工业物联网中，数据基站的位置灵活性在之前的研究中经常被忽视。在本文中，我们研究了它对延迟性能的好处。由于它可以带来巨大的收益，数据基站的位置灵活性值得进一步研究。本文提出的启发式算法为寻找数据基站的位置提供了一种可行的方法。随着NOMA在未来工业物联网中的广泛应用，该方案将具有广阔的应用前景。