[논문 리뷰] An Outage Probability Analysis of Full-Duplex NOMA in UAV Communications

Tan Zheng Hui Ernest, A. S. Madhukumar외 2명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 05.

Full-Duplex Wireless Communications참고 문헌 11인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 라이케인 그림자 낙뢰 fading 채널에서 UAV 통신에서의 풀디플렉스 비직교 다중접속(FD-NOMA)의 장애 확률을 분석한다. 닫힌 형태의 장애 확률 표현식을 유도하고, 저전력에서 FD-NOMA가 HD-NOMA 및 HD-OMA를 능가하지만 고전력에서는 잔류 자기간섭과 UAV 간 간섭으로 인해 제한됨을 보여주며, 다운링크 UAV가 시스템의 병목 현상이 된다.

ABSTRACT

As unmanned aerial vehicles (UAVs) are expected to play a significant role in fifth generation (5G) networks, addressing spectrum scarcity in UAV communications remains a pressing issue. In this regard, the feasibility of full-duplex non-orthogonal multiple access (FD-NOMA) UAV communications to improve spectrum utilization is investigated in this paper. Specifically, closed-form outage probability expressions are presented for FD-NOMA, half-duplex non-orthogonal multiple access (HD-NOMA), and half-duplex orthogonal multiple access (HD-OMA) schemes over Rician shadowed fading channels. Extensive analysis revealed that the bottleneck of performance in FD-NOMA is at the downlink UAVs. Also, FD-NOMA exhibits lower outage probability at the ground station (GS) and downlink UAVs than HD-NOMA and HD-OMA under low transmit power regimes. At high transmit power regimes, FD-NOMA is limited by residual SI and inter-UAV interference at the downlink UAVs and FD-GS, respectively. The impact of shadowing is also shown to affect the reliability of FD-NOMA and HD-OMA at the downlink UAVs.

연구 동기 및 목표

• 스펙트럼 부족 문제를 해결하기 위해 스펙트럼 효율적인 대안으로 풀디플렉스 NOMA(FD-NOMA)를 탐색하여 UAV 통신에서의 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해.
• 실제적인 라이케인 그림자 낙뢰 페이딩 조건 하에서 UAV 네트워크에서의 FD-NOMA 신뢰성을 조사하기 위해.
• 장애 확률 측면에서 FD-NOMA를 하프디플렉스 NOMA(HD-NOMA) 및 하프디플렉스 OMA(HD-OMA)와 비교하기 위해.
• FD-NOMA UAV 시스템에서 잔류 자기간섭과 UAV 간 간섭과 같은 성능 제한 요인을 규명하기 위해.
• 그라운드 스테이션과 다운링크 UAV에서 그림자 낙뢰 및 경로 손실의 영향을 분석하여 시스템 신뢰성에 미치는 영향을 조사하기 위해.

제안 방법

• 하나의 FD 그라운드 스테이션(FD-GS), 하나의 업링크 UAV(UAV-1), 두 개의 다운링크 UAVs(UAV-2, UAV-3)로 구성된 UAV 네트워크 모델을 수립하고, 풀디플렉스 모드에서 운영되도록 설정한다.
• 도시 외곽 환경의 전파 특성을 반영하기 위해, 선로 간 시선(Line-of-Sight) 및 그림자 효과를 포함한 라이케인 그림자 낙뢰 페이딩을 사용하여 무선 채널을 모델링한다.
• 라이케인 그림자 낙뢰 페이딩 채널 상에서 FD-NOMA, HD-NOMA, HD-OMA의 닫힌 형태 장애 확률 표현식을 유도한다.
• 주요 손상 요인을 고려한다: FD-GS에서의 잔류 자기간섭과 불완전한 순차적 간섭 제거(SIC)로 인한 다운링크 UAV에서의 UAV 간 간섭.
• 모든 링크에 대해 경로 손실 및 거리에 의존하는 경로 손실 모델을 적용한다: UAV-1 → GS, GS → UAV-2/3, UAV-1 → UAV-2/3.
• 통계적 채널 상태 정보(CSI)와 신호 대 간섭 및 노이즈 비율(SINR) 표현식을 사용하여 장애 확률을 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 라이케인 그림자 낙뢰 페이딩 조건 하에서 UAV 네트워크에서 FD-NOMA의 장애 확률은 HD-NOMA 및 HD-OMA와 비교해 어떻게 성능을 보이는가?
• RQ2 저전력 및 고전력 전송 전력 영역에서 FD-NOMA UAV 시스템의 주요 성능 제한 요인은 무엇인가?
• RQ3 그림자 낙뢰 효과는 다운링크 UAV에서 FD-NOMA, HD-NOMA, HD-OMA의 장애 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FD-NOMA UAV 통신에서 시스템 병목 현상이 발생하는 노드는 그라운드 스테이션(GS)인지 다운링크 UAV인가?
• RQ5 잔류 자기간섭과 불완전한 SIC는 GS 및 다운링크 UAV에서 FD-NOMA의 장애 성능에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 저전력 전송 영역에서, FD-NOMA는 그라운드 스테이션과 다운링크 UAV 모두에서 HD-NOMA 및 HD-OMA보다 낮은 장애 확률을 달성한다.
• 고전력 영역에서, FD-NOMA는 그라운드 스테이션의 잔류 자기간섭과 다운링크 UAV에서의 UAV 간 간섭으로 인해 제한되며, 이로 인해 장애 오차 평면이 발생한다.
• 다운링크 UAV가 FD-NOMA UAV 네트워크에서 시스템 수준의 병목 현상이 되며, 특히 UAV 간 간섭과 그림자 효과로 인해 그러하다.
• UAV-2에서는 고전력에서 심한 그림자 낙뢰와 불완전한 SIC가 결합되어, 더 가까운 UAV-3보다 더 높은 장애 확률을 보인다.
• 고전력에서, UAV-2는 더 가까운 위치에 있음에도 불구하고 불완전한 SIC로 인한 잔류 간섭과 그림자 효과의 복합적 영향으로 인해 UAV-3보다 더 높은 장애 확률을 경험한다.
• 고전력에서 HD-NOMA 및 HD-OMA는 자기간섭이 없기 때문에 FD-NOMA를 능가하며, HD-NOMA는 SINR 임계값이 낮아 HD-OMA보다 더 낮은 장애 확률을 보인다.