[論文レビュー] UAV-Aided Multi-Way NOMA Networks with Residual Hardware Impairments

Xingwang Li, Qunshu Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 18被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、残留ハードウェアインパルメント（RHI）を伴うUAV支援マルチウェイNOMAリレーネットワークを提案し、現実的なハードウェア制約下での達成可能な合計スループット（ASR）を分析している。NOMAを用いることで、時間スロット数を (M−1)/2+1 から2に削減でき、OMAに比べてASRが顕著に向上するが、送信機および受信機におけるRHIは性能を同等に劣化させ、高SNRにおけるスペクトル効率を制限する。

ABSTRACT

In this paper, we study an unmanned aerial vehicle (UAV)-aided non-orthogonal multiple access (NOMA) multi-way relaying networks (MWRNs). Multiple terrestrial users aim to exchange their mutual information via an amplify-and-forward (AF) UAV relay. Specifically, the realistic assumption of the residual hardware impairments (RHIs) at the transceivers is taken into account. To evaluate the performance of the considered networks, we derive the analytical expressions for the achievable sum-rate (ASR). In addition, we carry out the asymptotic analysis by invoking the affine expansion of the ASR in terms of \emph{high signal-to-noise ratio (SNR) slope} and \emph{high SNR power offset}. Numerical results show that: 1) Compared with orthogonal multiple access (OMA), the proposed networks can significantly improve the ASR since it can reduce the time slots from $\left[ {\left( {M - 1} ight)/2} ight] + 1$ to 2; and 2) RHIs of both transmitter and receiver have the same effects on the ASR of the considered networks.

研究の動機と目的

• 現実的な残留ハードウェアインパルメント（RHI）を伴うUAV支援マルチウェイNOMAリレーネットワークにおける達成可能な合計スループット（ASR）を分析すること。
• UAVリレーモードのマルチウェイリレーネットワークにおけるNOMAと直交多重アクセス（OMA）のスペクトル効率を比較すること。
• 特に受信機ノードにおけるハードウェアインパルメントがシステム性能に与える影響を調査すること。
• 高SNRにおけるASRの漸近的表現（高SNRスロープおよび高SNRパワー補正項）を導出することで、性能の洞察を得ること。
• 実用的なハードウェア制約を伴うネットワークにおいて、UAV配置がASR最適化に果たす可能性を評価すること。

提案手法

• M個の単素子アンテナを備えた地上のユーザーが、アンプアンドフォワード（AF）UAVリレーモードを介して情報交換を行うマルチウェイリレーネットワークをモデル化する。
• 送信機、受信機、リレーノードの全ノードに現実的な残留ハードウェアインパルメント（RHI）を組み込み、パワー依存のインパルメント係数を有する歪みモデルを用いる。
• Nakagami-m fadingチャネル下での達成可能な合計スループット（ASR）の閉形式近似式を導出する。
• 高SNRにおける漸近的解析を通じて、高SNRスロープおよび高SNRパワー補正項を導出し、高SNRにおけるシステム動作を特徴付ける。
• 10⁵回のモンテカルロシミュレーションを用いて、ユーザー数やRHIレベルの異なるさまざまな構成下での解析結果の妥当性を検証する。
• UAVの高度およびユーザーの位置がASRに与える影響を評価し、配置の柔軟性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同じハードウェアおよびチャネル条件下で、UAV支援NOMAマルチウェイリレーネットワークの達成可能な合計スループット（ASR）は、OMAと比べてどのように異なるか？
• RQ2 残留ハードウェアインパルメント（RHI）はASRにどのような影響を及ぼすか？ また、送信機と受信機のインパルメントは性能に同等の悪影響を及ぼすか？
• RQ3 高SNRスロープおよび高SNRパワー補正項は、提案されたNOMAシステムの性能限界をどのように特徴付けるか？
• RQ4 UAV配置は、ハードウェアインパルメントが存在する状況で、ASRをどの程度最適化できるか？
• RQ5 ユーザー数の増加に伴い、マルチウェイリレーネットワークにおけるNOMAとOMAのASRギャップはどのように変化するか？

主な発見

• 提案されたNOMAベースのUAV支援マルチウェイリレーネットワークは、OMAに比べて顕著に高いASRを達成でき、必要な時間スロット数を (M−1)/2+1 からわずか2に削減できる。
• 残留ハードウェアインパルメント（RHI）はASR性能を劣化させ、送信機および受信機のインパルメントが性能に同等の悪影響を及ぼす。
• 高SNRにおいて、残留干渉のためASRは固定定数に近づくことが確認され、高SNRパワー補正項の存在が裏付けられた。
• 高SNRスロープが導出され、ハードウェアインパルメントが存在する中でもNOMAが有利なスペクトル効率のスケーリングを維持していることが示された。
• シミュレーション結果から、UAVをユーザークラスタの近く（例：(0,0)）に配置することで、パスロスの低減とチャネル品質の向上によりASRが最大になることが確認された。
• ユーザー数が増加するにつれて、NOMAとOMAの間のASRギャップが拡大する傾向にあり、マルチユーザー環境におけるNOMAのスケーラビリティ優位性が顕著になった。