[論文レビュー] Hardware and Interference Limited Cooperative CR-NOMA Networks under Imperfect SIC and CSI

Sultangali Arzykulov, Galymzhan Nauryzbayev+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用数 29

ひとこと要約

本稿は、不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）およびチャネル状態情報（CSI）を伴う、ハードウェアおよび干渉制限の下で動作するアンダーレイ認知的無線非直交多重アクセス（CR-NOMA）ネットワークのアウトージー性能を分析する。実用的制約を考慮したエンドツーエンドのアウトージー確率（OP）の閉形式表現を導出しており、CR-NOMAは直交多重アクセス（OMA）を上回るが、高レベルのハードウェア制約、SIC誤り、およびCSI不正確性の下では性能が著しく低下することが示された。

ABSTRACT

The conflation of cognitive radio (CR) and nonorthogonal multiple access (NOMA) concepts is a promising approach to fulfil the massive connectivity goals of future networks given the spectrum scarcity. Accordingly, this letter investigates the outage performance of imperfect cooperative CR-NOMA networks under hardware impairments and interference. Our analysis is involved with the derivation of the end-to-end outage probability (OP) for secondary NOMA users by accounting for imperfect channel state information (CSI), as well as the residual interference caused by successive interference cancellation (SIC) errors and coexisting primary/secondary users. The numerical results validated by Monte Carlo simulations show that CR-NOMA network provides a superior outage performance over orthogonal multiple access. As imperfections become more significant, CR-NOMA is observed to deliver relatively poor outage performance.

研究の動機と目的

• 実用的ハードウェアおよびチャネル制約下における協調的CR-NOMAネットワークのエンドツーエンドアウトージー性能を分析すること。
• 不完全な逐次干渉キャンセレーション（SIC）、チャネル状態情報（CSI）誤差、およびハードウェア制約の影響をモデル化・定量し、セカンドリーユーザー（SU）の信頼性に与える影響を評価すること。
• 干渉制限条件および干渉温度制約（ITC）下でのNOMAユーザのアウトージー確率（OP）の閉形式表現を導出すること。
• さまざまな実用的制約下でのCR-NOMAと直交多重アクセス（OMA）の性能を比較すること。
• 変動するハードウェア歪み、SIC誤り、CSI不正確性の下で、解析結果をモンテカルロシミュレーションにより検証すること。

提案手法

• 送信者（S）、リレーエージェント（R）、およびB個のセカンドリーユーザー（U1からUBまで）を有するダウンリンクアンダーレイCR-NOMAネットワークに対して、2タイムスロット半二重デコード・アンド・フォワード（DF）リレーモデルを提案する。
• チャネル係数を最小分散推定誤差（MMSE）推定法でモデル化し、推定誤差分散を ζi ∝ ρ−κ として表す。ここで ρ は送信SNRを表す。
• 送信機および受信機の制約をモデル化するため、総合歪みノイズ φ(·) = √(φ²t + φ²r) を用いてハードウェア制約を組み込む。
• リレーデコード段階（γR,j）およびユーザ検出段階（γb,j）における瞬時信号対干渉歪みノイズ比（SIDNR）の式を導出し、SIC誤りに起因する残存干渉を考慮する。
• アウトージー確率（OP）を計算するために、2つのSIDNR（γR,j および γb,j）の最小値の累積分布関数（CDF）を用い、FγR,j(ψj) + Fγj(ψj) − FγR,j(ψj)Fγj(ψj) の式を適用する。ここで ψj = 2²ᴿᵗʰʲ − 1 である。
• 指数積分関数（Ei[·]）およびラプラス変換を用いて、γR,j および γb,j の閉形式CDF表現を導出し、モンテカルロシミュレーションによる検証を実施する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 不完全なSICは、CR-NOMAネットワークにおけるセカンドリーユーザーのアウトージー性能にどのように影響するか？
• RQ2 干渉制約下でのNOMAユーザのエンドツーエンドアウトージー確率に、ハードウェア制約（HIs）がどのように影響するか？
• RQ3 CSI不正確性（ζi ∝ ρ−κ としてモデル化）は、高SNRにおけるシステムの信頼性および飽和特性にどのように影響するか？
• RQ4 共存するプライマリユーザおよび干渉温度制約（ITC）の存在は、NOMAユーザのアウトージーにどのように影響するか？
• RQ5 重度のハードウェアおよびSIC制約下でも、CR-NOMAは依然としてOMAを上回る性能を示すか？

主な発見

• 20 dBの送信SNR下で、U1のアウトージー確率は、プライマリ干渉なしでは0.09、PT = 10 dBでは0.12、PT = 25 dBでは0.62に上昇し、プライマリ干渉による著しい性能劣化が確認された。
• ϵ = 0.03（高いSIC不完全性）の下で、30 dB SNRにおけるU2のアウトージー確率は、完璧なSIC下の0.09と比較して0.45にまで上昇し、深刻な性能劣化が示された。
• φ = 0.15（高いハードウェア制約）の下で、30 dB SNRにおけるU1のOPは0.025劣化し、U2は0.3劣化した。これはU2が歪みに対してより感受性が高いことを示している。
• θ = 0.1のとき、すべてのSNRレベルでNOMAおよびOMAユーザが完全なアウトージーを経験し、CSIの不確実性が耐えがたいことを示した。
• κ = 1.5 および θ = 10 の場合、高SNRで完全なCSI性能に近づくことが確認された。これはSNR依存のCSI誤差がアウトージー性能を改善することを示している。
• φ = 0.15（重度のハードウェア制約）の下でも、NOMAは依然としてOMAを上回る性能を示したが、OMAユーザは完全なアウトージーを経験した。これは、実用的条件下でもNOMAのロバスト性を示している。