[논문 리뷰] On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access over Composite Fading Channels

Khaled M. Rabie, Abubakar U. Makarfi외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 04. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 30인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 디코딩 앤 포워딩(DF) 릴레이를 사용하는 피셔-스니디커르 𝒻 복합 fading 채널에서 협업 릴레이 시스템 내 비직교 다중접근(NOMA)의 성능 분석을 제안한다. NOMA 및 직교 다중접근(OMA) 시스템에 대한 정확한 폐형 에르고딕 용량 표현식을 유도하여, 특히 페이딩 및 샤도잉 매개변수의 증가에 따라 최적의 전력 할당 계수를 사용할 경우 NOMA가 OMA보다 유의미하게 뛰어난 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

This paper analyzes the performance of a cooperative relaying non-orthogonal multiple access (NOMA) network over Fisher-Snedecor F composite fading channels. Specifically, one base station (BS) is assumed to communicate with two receiving mobile users with one acting also as a decode-and-forward (DF) relay. To highlight the achievable performance gains of the NOMA scheme, conventional relaying with orthogonal multiple access (OMA) is also analyzed. For the two systems under consideration, we derive novel exact closed-form expressions for the ergodic capacity along with the corresponding asymptotic representations. The derived expressions are then used to assess the influence of various system parameters, including the fading and shadowing parameters, on the performance of both the NOMA and OMA systems. Monte-Carlo simulation are provided throughout to verify the accuracy of our analysis. Results reveal that the NOMA system can considerably outperform the OMA approach when the power allocation factor is carefully selected. It is also shown that as the fading and/or shadowing parameters are increased, the ergodic capacity performance enhances.

연구 동기 및 목표

• 복합 페이딩 채널, 특히 다중 경로 페이딩과 샤도잉을 동시에 모델링하는 피셔-스니디커르 𝒻 분포를 고려한 협업 NOMA 시스템의 성능 분석을 수행한다.
• 이러한 페이딩 모델 하에서 NOMA 및 전통적 OMA 시스템의 에르고딕 용량에 대한 정확한 폐형 표현식을 유도한다.
• 페이딩 및 샤도잉의 심각도와 같은 주요 시스템 매개변수들이 NOMA 및 OMA의 성능에 미치는 영향을 조사한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 분석 결과를 검증하고, NOMA가 OMA 대비 스펙트럼 효율성에서 확보하는 이점을 비교 분석한다.
• 고신호대역비(SNR) 영역에서의 성능 평가를 가능하게 하기 위해 에르고딕 용량에 대한 점 渐진적 표현식을 제공한다.

제안 방법

• 메이저의 G-함수를 사용하여 두 개의 피셔-스니디커르 𝒻 랜덤 변수의 최소값에 대한 확률밀도함수(PDF) 및 누적분포함수(CDF)에 대한 새로운 폐형 표현식을 유도한다.
• 유도된 PDF 및 CDF를 활용하여 이중호프 디코딩 앤 포워딩(DF) 협업 NOMA 시스템의 에르고딕 용량을 계산한다.
• 동일한 프레임워크를 활용하여 비교를 위해 기존의 OMA 기반 협업 릴레이 시스템의 에르고딕 용량을 계산한다.
• 메이저의 G-함수를 활용하여 에르고딕 용량을 정확한 폐형으로 표현함으로써 정밀한 성능 평가가 가능하도록 한다.
• 고신호대역비 영역에서의 에르고딕 용량에 대한 점 渐진적 표현식을 유도하여 다양도 이득 및 고신호대역비 기울기 분석을 수행한다.
• 모든 분석 결과의 정확성을 보장하기 위해 광범위한 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 피셔-스니디커르 𝒻 복합 페이딩 하에서 NOMA 기반 협업 릴레이 시스템의 에르고딕 용량은 OMA와 비교해 어떻게 되는가?
• RQ2 페이딩 및 샤도잉 매개변수는 복합 페이딩 채널 상의 NOMA 및 OMA 시스템의 에르고딕 용량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 고려 중인 협업 릴레이 아키텍처에서 전력 할당 계수는 NOMA가 OMA를 능가하는 성능 향상에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 피셔-스니디커르 𝒻 페이딩 하에서 고신호대역비 영역에서 NOMA 및 OMA의 점 渐진적 에르고딕 용량 행동은 어떠한가?
• RQ5 유도된 정확한 폐형 표현식은 시뮬레이션 결과와 비교해 얼마나 정확하게 시스템 성능을 예측하는가?

주요 결과

• 메이저의 G-함수를 활용하여 두 개의 피셔-스니디커르 𝒻 랜덤 변수의 최소값에 대한 PDF 및 CDF에 대한 정확한 폐형 표현식을 유도하였으며, 이는 정밀한 성능 분석을 가능하게 한다.
• 최적의 전력 할당 계수를 선택할 경우 NOMA 시스템의 에르고딕 용량은 OMA 시스템보다 유의미하게 뛰어나 스펙트럼 효율성 향상을 입증한다.
• 페이딩 및 샤도잉 매개변수의 증가에 따라 NOMA 및 OMA 시스템 양쪽의 에르고딕 용량이 향상됨을 확인하여, 더 강한 샤도잉 또는 페이딩 조건에서 성능 향상이 이루어짐을 시사한다.
• 점 渐진적 에르고딕 용량 표현식을 통해 NOMA가 OMA보다 더 높은 다양도 이득과 우수한 고신호대역비 기울기를 확보함을 확인하여 고신호대역비 영역에서의 우월성을 입증한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 유도된 분석 결과의 정확성을 검증하였으며, 이론적 결과와 시뮬레이션 결과 사이에 완벽한 일치를 보였다.
• 피셔-스니디커르 𝒻 모델은 일반화된-K 모델과 비교해 계산 복잡도와 모델링 정확도 측면에서 복합 페이딩을 더 정확하고 다루기 쉬운 방식으로 표현할 수 있음을 확인하였다.