[論文レビュー] On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access over Composite Fading Channels

Khaled M. Rabie, Abubakar U. Makarfi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、デコードアンドフォワード（DF）リレーや、Fisher-Snedecor 𝒻複合 fadingチャネルにおける非直交多重アクセス（NOMA）の性能解析を提案する。NOMAおよび直交多重アクセス（OMA）システムの正確な閉形式のエルゴディック容量式を導出し、特にfadingおよびシャドウイングパラメータが増加する際、パワー割り当て係数を最適化することでNOMAがOMAを著しく上回ることを示している。

ABSTRACT

This paper analyzes the performance of a cooperative relaying non-orthogonal multiple access (NOMA) network over Fisher-Snedecor F composite fading channels. Specifically, one base station (BS) is assumed to communicate with two receiving mobile users with one acting also as a decode-and-forward (DF) relay. To highlight the achievable performance gains of the NOMA scheme, conventional relaying with orthogonal multiple access (OMA) is also analyzed. For the two systems under consideration, we derive novel exact closed-form expressions for the ergodic capacity along with the corresponding asymptotic representations. The derived expressions are then used to assess the influence of various system parameters, including the fading and shadowing parameters, on the performance of both the NOMA and OMA systems. Monte-Carlo simulation are provided throughout to verify the accuracy of our analysis. Results reveal that the NOMA system can considerably outperform the OMA approach when the power allocation factor is carefully selected. It is also shown that as the fading and/or shadowing parameters are increased, the ergodic capacity performance enhances.

研究の動機と目的

• Fisher-Snedecor 𝒻分布がマルチパスフェージングとシャドウイングの両方をモデル化できる複合フェージングチャネル、特にFisher-Snedecor 𝒻分布を用いた協調NOMAシステムの性能を分析すること。
• このフェージングモデル下でのNOMAおよび従来のOMAシステムのエルゴディック容量について、正確な閉形式の式を導出すること。
• フェージングおよびシャドウイングの深刻度といった、主要なシステムパラメータがNOMAおよびOMAの性能に与える影響を調査すること。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析結果を検証し、NOMAとOMAのスペクトル効率の向上を比較すること。
• 高SNR領域における性能評価を可能にするために、エルゴディック容量の漸近的式を提供すること。

提案手法

• MeijerのG関数を用いて、2つのFisher-Snedecor 𝒻確率変数の最小値の確率密度関数（PDF）および累積分布関数（CDF）の新しい閉形式の式を導出する。
• 導出したPDFおよびCDFを用いて、2ホップのデコードアンドフォワード（DF）協調NOMAシステムのエルゴディック容量を計算する。
• 同じフレームワークを用いて、比較のための従来のOMAベースの協調リレーシステムのエルゴディック容量を計算する。
• MeijerのG関数を用いて、エルゴディック容量を正確な閉形式で表現することで、性能評価の正確性を向上させる。
• 高SNR領域におけるエルゴディック容量の漸近的式を導出し、分散利得および高SNRスロープの分析に用いる。
• すべての解析的結果を広範なモンテカルロシミュレーションにより検証し、正確性と信頼性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Fisher-Snedecor 𝒻複合フェージング下で、NOMAベースの協調リレーシステムのエルゴディック容量はOMAと比べてどのように異なるか？
• RQ2 フェージングおよびシャドウイングパラメータの影響は、複合フェージングチャネル上でのNOMAおよびOMAシステムのエルゴディック容量にどのように現れるか？
• RQ3 本稿で考察される協調リレーシステムにおいて、パワー割り当て係数はNOMAとOMAの性能向上にどのように影響を与えるか？
• RQ4 Fisher-Snedecor 𝒻フェージング下で、高SNR領域におけるNOMAおよびOMAの漸近的エルゴディック容量の挙動はどのようなものか？
• RQ5 導出された正確な閉形式式は、シミュレーション結果と比較して、どれほど正確にシステム性能を予測できるか？

主な発見

• MeijerのG関数を用いて、2つのFisher-Snedecor 𝒻確率変数の最小値のPDFおよびCDFの正確な閉形式式が導出され、性能解析の正確性が向上した。
• パワー割り当て係数を最適に選択した場合、NOMAシステムのエルゴディック容量はOMAシステムを著しく上回り、スペクトル効率の向上が確認された。
• フェージングおよびシャドウイングパラメータが増加するにつれて、NOMAおよびOMAシステムの両方のエルゴディック容量が向上し、より強いシャドウイングまたはフェージング条件下で性能が向上することが示された。
• 漸近的エルゴディック容量式は、NOMAがOMAよりも高い分散利得およびより良い高SNRスロープを達成していることを明らかにし、高SNR領域における優位性を裏付けた。
• モンテカルロシミュレーションにより、導出した式の解析的正確性が確認され、理論的結果とシミュレーション結果が完全に一致した。
• Fisher-Snedecor 𝒻モデルは、一般化-Kモデルなど他のモデルと比較して、計算複雑性およびモデル化の忠実度の観点から、複合フェージングをより正確かつ扱いやすい形で表現できることが示された。