[論文レビュー] An Outage Probability Analysis of Full-Duplex NOMA in UAV Communications

Tan Zheng Hui Ernest, A. S. Madhukumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用数 4

ひとこと要約

本稿は、リーゼン・シャドウフェイディングチャネルにおける無人航空機（UAV）通信におけるフルデュプレックス非直交多重アクセス（FD-NOMA）の停電確率を分析する。閉形式の停電式を導出し、低送信電力ではFD-NOMAがHD-NOMAおよびHD-OMAを上回るが、高電力では残留自己干渉およびUAV間干渉の制限を受けることが示され、ダウンリンクUAVがシステムのボトルネックとなる。

ABSTRACT

As unmanned aerial vehicles (UAVs) are expected to play a significant role in fifth generation (5G) networks, addressing spectrum scarcity in UAV communications remains a pressing issue. In this regard, the feasibility of full-duplex non-orthogonal multiple access (FD-NOMA) UAV communications to improve spectrum utilization is investigated in this paper. Specifically, closed-form outage probability expressions are presented for FD-NOMA, half-duplex non-orthogonal multiple access (HD-NOMA), and half-duplex orthogonal multiple access (HD-OMA) schemes over Rician shadowed fading channels. Extensive analysis revealed that the bottleneck of performance in FD-NOMA is at the downlink UAVs. Also, FD-NOMA exhibits lower outage probability at the ground station (GS) and downlink UAVs than HD-NOMA and HD-OMA under low transmit power regimes. At high transmit power regimes, FD-NOMA is limited by residual SI and inter-UAV interference at the downlink UAVs and FD-GS, respectively. The impact of shadowing is also shown to affect the reliability of FD-NOMA and HD-OMA at the downlink UAVs.

研究の動機と目的

• スペクトル枯渇を解消するため、スペクトル効率の高い代替手段としてフルデュプレックスNOMA（FD-NOMA）をUAV通信で活用することを目的とする。
• 現実的なリーゼン・シャドウフェイディング条件下におけるUAVネットワークにおけるFD-NOMAの信頼性を調査すること。
• 停電確率という観点から、FD-NOMAとハーフデュプレックスNOMA（HD-NOMA）およびハーフデュプレックスOMA（HD-OMA）を比較すること。
• FD-NOMA UAVシステムにおける性能制限要因（残留自己干渉およびUAV間干渉など）を同定すること。
• シャドウフェイディングおよびパスロスが地上局およびダウンリンクUAVにおけるシステム信頼性に与える影響を分析すること。

提案手法

• 1台のFD地上局（FD-GS）、1台のアップリンクUAV（UAV-1）、2台のダウンリンクUAV（UAV-2、UAV-3）から成るUAVネットワークモデルを構築し、フルデュプレックスモードで動作させる。
• 都市部周辺の伝搬状態を反映させるために、ライン・オブ・サイト（LoS）およびシャドウフェイディング効果を含むリーゼン・シャドウフェイディングを用いて無線チャネルをモデル化する。
• リーゼン・シャドウフェイディングチャネル上でのFD-NOMA、HD-NOMA、HD-OMAの停電確率式を閉形式で導出する。
• 主な劣化要因を考慮：FD-GSにおける残留自己干渉および、不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）に起因するダウンリンクUAVにおけるUAV間干渉。
• すべてのリンク（UAV-1からGS、GSからUAV-2/3、UAV-1からUAV-2/3）に対してパスロスおよび距離依存パスロスモデルを組み込む。
• 統計的チャネル状態情報（CSI）および信号対干渉加法ノイズ比（SINR）式を用いて停電確率を計算する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リーゼン・シャドウフェイディング下のUAVネットワークにおいて、FD-NOMAはHD-NOMAおよびHD-OMAと比較してどの程度の停電確率を示すか？
• RQ2 低電力および高電力送信パワー領域において、FD-NOMA UAVシステムの主要な性能制限要因は何か？
• RQ3 シャドウフェイディングは、ダウンリンクUAVにおけるFD-NOMA、HD-NOMA、HD-OMAの停電性能にどのように影響を与えるか？
• RQ4 FD-NOMA UAV通信において、GSかダウンリンクUAVのどちらがシステムのボトルネックとなるか？
• RQ5 残留自己干渉および不完全なSICは、GSおよびダウンリンクUAVにおけるFD-NOMAの停電性能にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 低送信電力領域では、地上局およびダウンリンクUAVの両方において、FD-NOMAはHD-NOMAおよびHD-OMAよりも低い停電確率を達成する。
• 高送信電力領域では、FD-NOMAは地上局における残留自己干渉およびダウンリンクUAVにおけるUAV間干渉の制限を受けるため、停電誤り床（error floor）が生じる。
• ダウンリンクUAVが、FD-NOMA UAVネットワーク全体のシステムレベルのボトルネックである。特に、UAV間干渉およびシャドウフェイディング効果に起因する。
• UAV-2では、強いシャドウフェイディングと不完全なSICが重なり、距離的にGSに近いにもかかわらず、UAV-3よりも高い停電確率を示す。
• 高電力領域では、UAV-2はGSに近いにもかかわらず、不完全なSICに起因する残留干渉とシャドウフェイディングの影響を受けて、UAV-3よりも高い停電確率を示す。
• 高電力領域では、自己干渉のないHD-NOMAおよびHD-OMAがFD-NOMAを上回る。特に、HD-NOMAはSINR閾値が低いため、HD-OMAよりも低い停電確率を示す。