[論文レビュー] Multiple Antenna Aided NOMA in UAV Networks: A Stochastic Geometry Approach

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 8

ひとこと要約

本稿では、スペクトル効率とカバレッジを向上させるために、MIMO-NOMA対応無人航空機（UAV）ネットワークのための3次元確率的幾何フレームワークを提案する。UAVとユーザーを確率的な空間配置でモデル化することで、中断確率およびエルゴディックレートの解析的表現を導出し、中断確率がユーザーのデータレートと電力割り当てに極めて敏感であることが明らかになった。また、干渉がUAVの送信電力に比例する場合、高SNR領域に誤り床（error floor）が現れる。

ABSTRACT

This article investigates the multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted unmanned aerial vehicles (UAVs) networks. By utilizing a stochastic geometry model, a new 3-Dimension UAV framework for providing wireless service to randomly roaming NOMA users has been proposed. In an effort to evaluate the performance of the proposed framework, we derive analytical expressions for the outage probability and the ergodic rate of MIMO-NOMA enhanced UAV networks. We examine tractable upper bounds for the whole proposed framework, with deriving asymptotic results for scenarios that transmit power of interference sources being proportional or being fixed to the UAV. For obtaining more insights for the proposed framework, we investigate the diversity order and high signal-to-noise (SNR) slope of MIMO-NOMA assisted UAV networks. Our results confirm that: i) The outage probability of NOMA enhanced UAV networks is affected to a large extent by the targeted transmission rates and power allocation factors of NOMA users; and ii) For the case that the interference power is proportional to the UAV power, there are error floors for the outage probabilities.

研究の動機と目的

• 5GおよびIoTネットワークにおける多数のデバイス接続を想定した高スペクトル効率と信頼性の高い接続性を実現する必要に対応する。
• Poisson点過程を用いてランダムに配置されたNOMAユーザーを有するUAVネットワークを確率的幾何学的手法でモデル化し、解析可能な性能評価を実現する。
• MIMO-NOMA UAVシステムにおける中断確率およびエルゴディックレートに及ぼす電力割り当ておよび干渉の影響を評価する。
• 高SNRおよび干渉比例的状況における漸近的結果とダイバーシティ次数を導出する。
• 解析的性能境界を通じて、実用的なUAV-NOMA展開のための設計インサイトを提供する。

提案手法

• UAVとランダムに配置されたNOMAユーザーを表すために、3次元の確率的幾何モデルを構築し、Poisson点過程を用いる。
• 1つのリソースブロックで複数ユーザーを同時にサービス提供するため、MIMO-NOMAと信号整合性および逐次干渉キャンセレーション（SIC）を採用する。
• 確率的幾何学および特殊関数の道具を用いて、中断確率およびエルゴディックレートの解析的表現を導出する。
• 干渉モデルとして、固定干渉電力とUAV送信電力に比例する干渉の2通りを検討する。
• 高SNR領域における中断確率およびエルゴディックレートの漸近的表現を導出し、ダイバーシティ次数およびSNRスロープの分析を可能にする。
• 不完全ガンマ関数およびメイジャーG関数を含む複雑な積分を、級数展開および特殊関数の恒等式を用いて解く。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 MIMO-NOMA UAVネットワークの中断確率は、ユーザーの目標データレートおよび電力割り当て係数にどのように依存するか？
• RQ2 干渉電力のスケーリング（固定 vs. UAV送信電力に比例）は、システムの信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 提案されたMIMO-NOMA UAVフレームワークのダイバーシティ次数および高SNRスロープは何か？
• RQ4 ランダムな空間配置下で、エルゴディックレートおよび中断確率の解析的上界を導出可能か？
• RQ5 解析的結果は、UAV-NOMAシステムにおける実用的展開制約とどのように比較できるか？

主な発見

• 中断確率は、NOMAユーザーの目標伝送レートおよび電力割り当て係数に顕著に影響を受けることが示され、システム設計パrameterへの感受性が明確になった。
• 干渉電力がUAV送信電力に比例する場合、中断確率に誤り床が現れ、高SNR領域での性能向上が制限される。
• ダイバーシティ次数は、チャネルゲインが最も悪いユーザーに依存しており、NOMAにおけるユーザーペアリングの重要性を示している。
• 高SNR領域において、エルゴディックレートは定数に収束し、最も弱いユーザーがダイバーシティゲインを制限する。
• α=3の場合、Meijer-G関数を含む正確な積分解を用いて、中断確率およびエルゴディックレートの漸近的表現が妥当性を確認された。
• 解析フレームワークにより、基地局に完全なチャネル状態情報が不要であることが示され、実用性が向上した。