[논문 리뷰] Multiple Antenna Aided NOMA in UAV Networks: A Stochastic Geometry Approach

Tianwei Hou, Yuanwei Liu외 3명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 31인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 스펙트럼 효율성과 커버리지 향상을 위해 MIMO-NOMA 기반 무인 항공기(UAV) 네트워크를 위한 3차원 확률 기하 구조 프레임워크를 제안한다. UAV와 사용자를 무작위 공간 배치로 모델링함으로써, 중단 확률과 에르고딕 속도에 대한 해석적 표현을 유도하며, 중단 확률이 사용자 데이터율과 전력 할당에 매우 민감하며, 간섭이 UAV 전력에 비례할 경우 고신호대역비(SNR)에서 오차 평면(error floor)가 나타나는 것으로 드러났다.

ABSTRACT

This article investigates the multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted unmanned aerial vehicles (UAVs) networks. By utilizing a stochastic geometry model, a new 3-Dimension UAV framework for providing wireless service to randomly roaming NOMA users has been proposed. In an effort to evaluate the performance of the proposed framework, we derive analytical expressions for the outage probability and the ergodic rate of MIMO-NOMA enhanced UAV networks. We examine tractable upper bounds for the whole proposed framework, with deriving asymptotic results for scenarios that transmit power of interference sources being proportional or being fixed to the UAV. For obtaining more insights for the proposed framework, we investigate the diversity order and high signal-to-noise (SNR) slope of MIMO-NOMA assisted UAV networks. Our results confirm that: i) The outage probability of NOMA enhanced UAV networks is affected to a large extent by the targeted transmission rates and power allocation factors of NOMA users; and ii) For the case that the interference power is proportional to the UAV power, there are error floors for the outage probabilities.

연구 동기 및 목표

• 5G 및 IoT 네트워크에서 대량의 장치 연결을 수반하는 높은 스펙트럼 효율성과 신뢰성 있는 연결성 확보가 필요하다.
• 스토하스틱 기하학을 활용해 무작위로 배치된 NOMA 사용자를 가진 UAV 네트워크를 모델링하여 분석이 가능하도록 한다.
• MIMO-NOMA UAV 시스템에서 전력 할당과 간섭이 중단 확률과 에르고딕 속도에 미치는 영향을 평가한다.
• 고신호대역비 및 간섭 비례 상황에서의 점근적 결과와 다중도를 유도한다.
• 해석적 성능 한계를 통해 실용적인 UAV-NOMA 구현을 위한 설계 통찰을 제공한다.

제안 방법

• UAV와 무작위로 위치한 NOMA 사용자를 포아송 점 과정으로 모델링하는 3차원 스토하스틱 기하 모델을 개발한다.
• 자원 블록당 다수의 사용자를 동시에 서비스하기 위해 MIMO-NOMA를 사용하며, 신호 정렬과 순차적 간섭 제거(SIC)를 적용한다.
• 스토하스틱 기하학 및 특수 함수 도구를 활용해 중단 확률과 에르고딕 속도에 대한 해석적 표현을 유도한다.
• 간섭 모델로 두 가지를 고려한다: 고정 간섭 전력과 UAV 전송 전력에 비례하는 간섭.
• 고신호대역비 영역에서 중단 및 에르고딕 속도에 대한 점근적 표현을 유도하여 다중도 및 신호대역비 기울기 분석이 가능하도록 한다.
• 불완전 감마 함수 및 메이저-G 함수를 포함한 복잡한 적분을 시리즈 전개 및 특수 함수 항등식을 통해 해결한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 MIMO-NOMA UAV 네트워크의 중단 확률은 사용자 목표 데이터율과 전력 할당 인자에 따라 어떻게 변화하는가?
• RQ2 간섭 전력 스케일링(고정 대 UAV 전력 비례)이 시스템 신뢰성에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 제안된 MIMO-NOMA UAV 프레임워크의 다중도와 고신호대역비 기울이는 얼마인가?
• RQ4 무작위 공간 배치 상황에서 에르고딕 속도 및 중단 확률에 대한 해석적 상한을 유도할 수 있는가?
• RQ5 해석적 결과는 UAV-NOMA 시스템의 실용적 구현 제약 조건과 어떻게 비교되는가?

주요 결과

• 중단 확률은 NOMA 사용자의 목표 전송 속도와 전력 할당 인자에 크게 영향을 받으며, 이는 시스템 설계 매개변수에 대한 민감성을 시사한다.
• 간섭 전력이 UAV 전송 전력에 비례할 경우, 중단 확률에 오차 평면이 나타나며 고신호대역비에서 성능 향상이 제한된다.
• 다중도는 채널 수신 성능가 가장 열 劣한 사용자에 의해 결정되며, 이는 NOMA에서 사용자 쌍화의 중요성을 강조한다.
• 고신호대역비 영역에서 에르고딕 속도는 일정한 값으로 수렴하며, 다중도는 NOMA 쌍 내에서 가장 약한 사용자에 의해 제한된다.
• α=3인 경우, Meijer-G 함수를 포함한 정확한 적분 해를 통해 중단 및 에르고딕 속도에 대한 점근적 표현이 검증되었다.
• 해석적 프레임워크는 기지국에서 전체 채널 상태 정보가 필요로 하지 않도록 하여 실용성을 향상시켰다.