[論文レビュー] Outage Analysis of Cooperative NOMA in Millimeter Wave Vehicular Network at Intersections

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用数 7

ひとこと要約

本稿は、確率的幾何学を用いて、建物による遮蔽、Nakagami-m fading、およびポisson点過程としてモデル化された車両からの干渉を考慮した、交差点におけるミリ波（mmWave）車両通信ネットワークにおける協調的非直交多重アクセス（NOMA）の分析を行っている。閉形式の outage 確率式を導出しており、NOMA が OMA よりも優れていることが示され、特に高データレートにおいて顕著である。驚くべきことに、NLOS リンクが LOS リンクよりも性能が良いことが判明した。これは干渉と遮蔽効果が低減されるためである。

ABSTRACT

In this paper, we study the impact and the improvement of using cooperative non-orthogonal multiple access scheme (NOMA) on a millimeter wave (mmWave) vehicular network at intersection roads. The intersections consists of two perpendicular roads. The transmission occurs between a source, and two destinations nodes with a help of a relay. We assume that the interference comes from as set of vehicles that are distributed as a one dimensional homogeneous Poisson point process (PPP). We derive closed form outage probability expressions for cooperative NOMA, and compare them with cooperative orthogonal multiple access (OMA). We show that, NOMA offers a significant improvement, especially for high data rates. However, there a condition imposed to the data rate, otherwise, the performance of NOMA will decreases dramatically. We show that as the nodes approach the intersection, the outage probability increases. Counter-intuitively, We show that, the non line of sigh (NLOS) scenario has a better performance than the line of sigh (LOS) scenario. The analysis is conducted using tools from stochastic geometry and is verified with Monte Carlo simulations.

研究の動機と目的

• 安全応用に不可欠な高スペクトル効率と信頼性を求める交差点における mmWave 車両通信ネットワークにおける協調的 NOMA の性能を分析すること。
• 建物による遮蔽、車両からの同周波数干渉、Nakagami-m fading がシステムの outage 確率に与える影響をモデル化し、定量すること。
• 交差点における視線ライン（LOS）と非視線ライン（NLOS）伝搬の違いを踏まえ、協調的 NOMA と協調的 OMA の outage 性能を比較し、その影響を評価すること。
• 近似を用いない確率的幾何学的手法を用いて、 outage 確率の閉形式式を導出すること。

提案手法

• 交差する道路の交差点に、1台の送信機、2台の受信機、1台のリレーデバイスを有する mmWave 車両通信ネットワークを、協調的 NOMA プrotocol を用いてモデル化する。
• 両方の道路に沿って、一様なポアソン点過程（PPP）として干渉車両を表現し、車両のランダムな分布と干渉を捉える。
• 交差点における建物による遮蔽を、確率的 LOS/NLOS 伝送モデルを用いて表現し、LOS リンク（m 値が大きい）と NLOS リンク（m 値が小さい）にそれぞれ異なる Nakagami-m fading パrameter を適用する。
• PPP の確率生成関数（PGFL）を用いて、両方の道路からの干渉のラプラス変換を導出する。パスロス指数 α=2 の場合に閉形式の積分を適用する。
• 各受信機における信号対干渉加算ノイズ比（SINR）を評価し、モーメント生成関数（MGF）および逆ラプラス変換技術を用いて、NOMA および OMA 方式の outage 確率を計算する。
• モンテカルロシミュレーションを用いて解析的結果の妥当性を検証し、導出された閉形式式の正確性を確認する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 実際の干渉および遮蔽状況下で、交差点における mmWave 車両通信ネットワークにおける協調的 NOMA の性能は、協調的 OMA よりも優れているか？
• RQ2 車両密度および分布（PPP としてモデル化）は、協調的 NOMA mmWave ネットワークにおける outage 確率にどのような影響を及えるか？
• RQ3 遮蔽とフェージングを考慮した場合、交差点における LOS と NLOS 伝搬状態が outage 性能に与える影響は何か？
• RQ4 近似を用いないで、Nakagami-m fading と干渉を伴う協調的 NOMA の outage 確率の閉形式式を導出できるか？
• RQ5 交差点からの距離が、協調的 NOMA システムにおけるリレーリンクおよび直接リンクの outage 確率に与える影響は何か？

主な発見

• 協調的 NOMA は、効率的なパワー領域多重と逐次干渉キャンセレーションのおかげで、特に高データレートにおいて、協調的 OMA よりも著しく outage 確率が低い。
• 車両が交差点に近づくにつれて、干渉と遮蔽確率が上昇するため、outage 確率が増加する。特にリレーや受信機が交差点付近にある場合に顕著である。
• 直感に反して、NLOS 状況が LOS 状況よりも優れた性能を示す。これは、同じ道路にいる車両からの干渉が低減され、遮蔽によるシャドウフェージングの影響も小さいためである。
• α=2 の場合に、干渉のラプラス変換および outage 確率の閉形式式が導出され、数値近似を用いない正確な性能評価が可能になった。
• 導出された outage 確率式はモンテカルロシミュレーションにより検証され、解析の正確性およびモデルの頑健性が確認された。
• LOS と NLOS リンクにそれぞれ異なる m 値を用いた Nakagami-m fading の適用により、統計的チャネル変動が正確に捉えられ、性能評価の現実性が向上した。