[논문 리뷰] Hardware and Interference Limited Cooperative CR-NOMA Networks under Imperfect SIC and CSI

Sultangali Arzykulov, Galymzhan Nauryzbayev외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 47인용 수 29

한 줄 요약

이 논문은 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC)와 채널 상태 정보(CSI)를 고려한 하드웨어 및 간섭 제한 조건 하의 코operative CR-NOMA 네트워크의 장애 성능을 분석한다. 실용적인 손상 조건 하에서 종단 간 장애 확률(OP)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하며, CR-NOMA가 오р토ogonal 다중접근(OMA)보다 우수한 성능를 보이지만, 높은 하드웨어 손상, SIC 오류 및 CSI 부정확성에 의해 성능이 심각하게 저하됨을 보여준다.

ABSTRACT

The conflation of cognitive radio (CR) and nonorthogonal multiple access (NOMA) concepts is a promising approach to fulfil the massive connectivity goals of future networks given the spectrum scarcity. Accordingly, this letter investigates the outage performance of imperfect cooperative CR-NOMA networks under hardware impairments and interference. Our analysis is involved with the derivation of the end-to-end outage probability (OP) for secondary NOMA users by accounting for imperfect channel state information (CSI), as well as the residual interference caused by successive interference cancellation (SIC) errors and coexisting primary/secondary users. The numerical results validated by Monte Carlo simulations show that CR-NOMA network provides a superior outage performance over orthogonal multiple access. As imperfections become more significant, CR-NOMA is observed to deliver relatively poor outage performance.

연구 동기 및 목표

• 실제 하드웨어 및 채널 손상 조건 하에서 협업형 CR-NOMA 네트워크의 종단 간 장애 성능을 분석하기 위해.
• 불완전한 순차적 인터패턴 제거(SIC), 채널 상태 정보(CSI) 오차, 하드웨어 손상의 영향을 모델링하고 정량화하여 부차 사용자(SU) 신뢰성에 미치는 영향를 분석하기 위해.
• 간섭 제한 조건과 간섭 온도 제약(ICT) 하에서 NOMA 사용자의 장애 확률(OP)에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• 다양한 실용적 손상 조건 하에서 CR-NOMA와 오르토ogonal 다중접근(OMA) 간 성능를 비교하기 위해.
• 다양한 수준의 하드웨어 왜곡, SIC 오류 및 CSI 부정확성 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 하나의 소스(S), 하나의 릴레이(R), B개의 부차 사용자(U1부터 UB까지)를 포함한 다운링크 언더레이 CR-NOMA 네트워크에 대해 이중 슬롯 반디렉션 디코드 앤 포워드(DF) 릴레이 모델을 제안한다.
• 채널 계수를 최소 제곱 오차(MMSE) 추정을 통해 모델링하며, 추정 오차 분산은 ζi ∝ ρ−κ로 표현되며, 여기서 ρ는 전송 SNR이다.
• 송신기 및 수신기 손상 조건을 모델링하기 위해 집합 왜곡 노이즈 φ(·) = √(φ²t + φ²r)를 통해 하드웨어 손상을 통합한다.
• 릴레이 복호화(γR,j) 및 사용자 검출(γb,j) 단계에 대한 순간 신호 대 간섭-왜곡-노이즈 비율(SIDNR) 표현식을 유도하며, SIC 오류로 인한 잔여 간섭을 고려한다.
• 종단 간 장애 확률(OP)을 계산하기 위해 두 SIDNR(γR,j 및 γb,j)의 최소값의 누적분포함수(CDF)를 사용하며, FγR,j(ψj) + Fγj(ψj) − FγR,j(ψj)Fγj(ψj)의 식을 적용한다. 여기서 ψj = 2²ᴿᵗʰʲ − 1이다.
• 지수 적분 함수(Ei[·])와 라플라스 변환을 사용하여 γR,j 및 γb,j의 폐쇄형 CDF 표현식을 유도하며, 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 불완전한 SIC는 CR-NOMA 네트워크 내 부차 NOMA 사용자의 장애 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 간섭 제약 조건 하에서 하드웨어 손상(HIs)은 NOMA 사용자의 종단 간 장애 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 CSI 부정확성(ζi ∝ ρ−κ로 모델링)은 고 SNR에서 시스템의 신뢰성 및 포화 행동에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 공존하는 주요 사용자와 간섭 온도 제약(ICT)이 NOMA 사용자 장애에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 심각한 하드웨어 및 SIC 손상 조건 하에서도 CR-NOMA는 여전히 OMA를 능가하는가?

주요 결과

• 20 dB 전송 SNR에서, U1의 장애 확률은 주요 간섭 없을 경우 0.09에서 PT = 10 dB일 경우 0.12, PT = 25 dB일 경우 0.62로 증가하여 주요 간섭 하에서 심각한 성능 저하를 보인다.
• ϵ = 0.03(높은 SIC 불완전성) 조건에서, U2의 장애 확률은 30 dB SNR에서 완벽한 SIC 조건일 경우 0.09 대비 0.45로 상승하여 심각한 성능 저하가 발생한다.
• φ = 0.15(높은 하드웨어 손상) 조건에서, U1의 OP는 30 dB SNR에서 0.025 증가하고, U2의 OP는 0.3 증가하여 U2가 왜곡에 더 민감함을 보여준다.
• θ = 0.1일 경우, 모든 SNR 수준에서 NOMA 및 OMA 사용자 모두 전면 장애를 경험하여, CSI 불확실성이 견딜 수 없음을 시사한다.
• κ = 1.5 및 θ = 10일 경우, 고 SNR에서 시스템은 완벽한 CSI 성능에 가까워지며, SNR에 따라 변하는 CSI 오차가 장애 성능 향상에 기여함을 보여준다.
• 조금 더 높은 하드웨어 손상(φ = 0.15) 조건 하에서도 NOMA는 여전히 OMA를 능가하며, OMA 사용자는 전면 장애를 겪는다. 이는 실용적 조건 하에서 NOMA의 강건성을 강조한다.