[논문 리뷰] Non-Orthogonal Multiple Access Performance for Millimeter Wave in Vehicular Communications

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 25.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 33인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 스트로스틱 기하학을 사용하여 도로 교차로에서 밀리미터파 차량간 통신(V2X)에서 비직선 다중접근(NOMA)을 분석하며, 간섭을 포아송 점 과정으로 모델링하고 블록화와 나카가미-m fading을 고려한다. 폐쇄형 아웃리지 확률 표현식을 유도하여, 직선 시야(LOS) 링크보다 간섭이 감소한 비직선 시야(NLOS) 링크가 성능이 뛰어나며, mmWave V2X 네트워크에서 OMA에 비해 NOMA가 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.

ABSTRACT

In this paper, we study the performance of millimeter wave (mmWave) vehicular communications (VCs) using non-orthogonal multiple access scheme (NOMA) at road intersections, since there areas are more prone to accidents. We study the case when the intersection involves two perpendicular lanes, we then extend the study to an intersection with several lanes. The transmission occurs between a source, and two destinations. The transmission experiences interference originated from a set of vehicles that are distributed as a Poisson point process (PPP). Our analysis includes the effects of blockage from buildings and vehicles at intersections. Closed form outage probability expressions are obtained. We show that as the nodes reach the intersection, the outage probability increases. Counter-intuitively, we show that the non line of sigh (NLOS) scenario has a better performance than the line of sigh (LOS) scenario. Finally, we compare the performance of mmWave NOMA with OMA, and we show that NOMA offers a significant improvement over OMA mmWave vehicular networks. The analysis is verified by Monte-Carlo simulation.

연구 동기 및 목표

• 사고가 더 자주 발생할 가능성이 있는 도로 교차로에서 밀리미터파 차량간 통신에서 NOMA의 성능을 평가하기 위해.
• 수직 도로에 분포한 차량으로부터의 동일 대역 간섭을 포아송 점 과정으로 모델링하기 위해.
• 건물과 차량에 의한 블록화, 그리고 LOS 및 NLOS 링크에 대한 나카가미-m fading을 고려하기 위해.
• NOMA 기반 mmWave V2X 시스템에서 아웃리지 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.
• mmWave 차량간 네트워크에서 NOMA 성능을 오рhogonal 다중접근(OMA)과 비교하기 위해.

제안 방법

• 간섭 차량을 2차원 포아송 점 과정으로 모델링하여, 한 소스와 두 목적지가 있는 NOMA 시스템을 도로 교차로에서 분석한다.
• 스트로스틱 기하학을 사용하여 X도로와 Y도로의 차량으로부터 오는 간섭의 라플라스 변환을 유도하며, LOS 및 NLOS 조건을 모두 고려한다.
• PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 적용하여 간섭 분포를 계산하고 폐쇄형 아웃리지 확률 표현식을 유도한다.
• LOS 및 NLOS 링크에 대해 서로 다른 m 매개변수를 가진 나카가미-m 페이딩을 적용하여 근사치를 피한다.
• 채널 이득과 간섭 전력에 조건을 두어 NOMA 시스템의 두 사용자에 대한 아웃리지 확률을 유도한다.
• 다양한 네트워크 구성에서 몬테카를로 시뮬레이션을 사용하여 분석 결과의 타당성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 차량이 교차로에 가까워질수록 mmWave 차량간 네트워크에서 NOMA의 아웃리지 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ2 건물과 차량에 의한 블록화가 mmWave V2X 통신에서 NOMA 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 더 높은 경로 손실에도 불구하고 NLOS 시나리오가 아웃리지 확률 측면에서 LOS 시나리오를 초월하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 mmWave 차량간 네트워크에서 스펙트럼 효율성과 신뢰성 측면에서 NOMA는 OMA와 어떻게 비교되는가?
• RQ5 나카가미-m 페이딩과 간섭이 1차원 하이퍼 포아송 점 과정(1D-HPPP)으로부터 오는 mmWave V2X에서 NOMA에 대한 아웃리지 확률 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?

주요 결과

• 차량이 교차로에 가까워질수록 주변 차량으로부터의 간섭 밀도가 증가함에 따라 아웃리지 확률이 증가한다.
• 직관에 어긋나게 NLOS 시나리오는 LOS 시나리오보다 성능이 뛰어나며, 주로 더 낮은 동일 대역 간섭에도 불구하고 더 높은 경로 손실에도 불구하고 그렇다.
• mmWave 차량간 네트워크에서 NOMA를 사용할 경우 OMA에 비해 스펙트럼 효율성이 크게 향상되고 아웃리지 확률이 감소한다.
• 나카가미-m 페이딩과 간섭이 1D-HPPP로 표현되는 간섭자로부터의 간섭을 포함하여, NOMA 사용자 두 명에 대한 아웃리지 확률 폐쇄형 표현식이 성공적으로 유도되었다.
• 분석 결과는 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 유도된 표현식의 정확성이 확인되었다.
• NOMA가 OMA에 비해 성능 향상이 가장 두드러진 환경은 교차로에서 일반적으로 관찰되는 고간섭 환경이다.