[論文レビュー] Wireless Powered Cooperative Relaying using NOMA with Imperfect CSI

Dinh‐Thuan Do, Mojtaba Vaezi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用数 15

ひとこと要約

本稿は、不完全なチャネル状態情報（CSI）を伴うエネルギー回収（EH）協調非直交多重アクセス（NOMA）ネットワークを調査し、リレ−が送信元の信号からエネルギーを回収してデータを中継するソース-リレー支援型システムに焦点を当てる。固定および動的パワー割り当ての下で、2人のユーザーに対する閉形式の outage 確率式を導出しており、NOMA は CSI の誤差が存在しても、特に Nakagami-m 輪郭と不完全なリレー-ユーザー リンク推定の下で、正交多重アクセス（OMA）を上回ることを示している。

ABSTRACT

The impact of imperfect channel state (CSI) information in an energy harvesting (EH) cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) network, consisting of a source, two users, and an EH relay is investigated in this paper. The relay is not equipped with a fixed power source and acts as a wireless powered node to help signal transmission to the users. Closed-form expressions for the outage probability of both users are derived under imperfect CSI for two different power allocation strategies namely fixed and dynamic power allocation. Monte Carlo simulations are used to numerically evaluate the effect of imperfect CSI. These results confirm the theoretical outage analysis and show that NOMA can outperform orthogonal multiple access even with imperfect CSI.

研究の動機と目的

• 無線駆動の協調型NOMAネットワークにおける不完全なCSIがoutage性能に与える影響を分析すること。
• リレーが回収したエネルギーを用いて送信を支援する実用的なシナリオをモデル化し、ソース-リレー リンクには完全なCSI、リレー-ユーザー リンクには不完全なCSIを仮定すること。
• 固定および動的パワー割り当て戦略の下で、両ユーザーに対する閉形式のoutage確率式を導出すること。
• チャネル推定誤差による性能劣化を評価し、完全なCSIの場合と比較すること。

提案手法

• 半二重モード、単一アンテナの協調型NOMAシステムをモデル化し、送信元、2人のユーザー、エネルギー回収（EH）リレーを含む。リレーは信号を復号し、中継する。
• ソース-リレー リンクには完全なCSIを仮定し、リレー-ユーザー リンクには不完全なCSIを仮定し、推定誤差を統計的チャネルモデルで表現する。
• Nakagami-m 輪郭の累積分布関数（CDF）および確率密度関数（PDF）を用い、順序統計を応用して両ユーザーの閉形式のoutage確率式を導出する。
• 指数関数および変形ベッセル関数の積分を含む数学的技法を適用し、数値評価にはガウス＝チェビシェフ求積法を用いる。
• 固定パワー割り当ておよびチャネル状態に応じた動的パワー割り当ての2つのパワー割り当て戦略を検討する。
• Nakagami-m 輪郭下でモンテカルロシミュレーションを実施し、不完全なCSIと完全なCSIのシナリオを比較することで理論的結果の妥当性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 リレーにおける不完全なCSIは、エネルギー回収協調ネットワークにおけるNOMAユーザーのoutage性能にどのように影響するか？
• RQ2 不完全なCSI下で、固定および動的パワー割り当ての下でのNOMAユーザーに対する閉形式のoutage確率式は何か？
• RQ3 CSIが不完全な場合、NOMAは正交多重アクセス（OMA）と比較してどのように性能を発揮するか？
• RQ4 チャネル推定誤差は、NOMAシステムにおけるエネルギー回収リレーの信頼性にどのような影響を与えるか？
• RQ5 異なるパワー割り当て戦略は、EH-NOMAネットワークにおける不完全なCSIの影響をどのように軽減するか？

主な発見

• 両ユーザーに対する導出されたoutage確率式は、任意のNakagami-m 輪郭パラメータmに対して有効であり、m=1のときレイリー輪郭が回復される。
• 不完全なCSI下でもNOMAのoutage性能はOMAを上回り、チャネル推定誤差に対してロバストであることが示された。
• 動的パワー割り当ては、特に低SNR領域において、固定パワー割り当てよりも低いoutage確率を達成する。
• 推定誤差の分散が高くなるほど、完全なCSIと不完全なCSIの間の性能ギャップが拡大するが、依然としてNOMAはOMAを上回る。
• モンテカルロシミュレーションにより、理論的outage式の正確性が確認され、解析的導出の妥当性が検証された。
• 特にリレー-ユーザー リンクの推定誤差が中程度の場合は、不完全なCSI下でも信頼性の高い通信が達成可能である。