[논문 리뷰] Outage Analysis of Cooperative NOMA in Millimeter Wave Vehicular Network at Intersections

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 20.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 28인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 정확한 스토하스틱 기하학을 사용하여 교차로에서 밀리미터파(mmWave) 차량용 네트워크에서 협동형 비직교 다중접근(NOMA)을 분석한다. 건물에 의한 차단, 나카가미-m fading, 그리고 포아송 점 프로세스로 모델링된 차량으로부터의 간섭을 고려한 폐쇄형 출구 확률 표현식을 유도하며, 특히 고속도에서 OMA보다 협동형 NOMA가 우수하며, 놀랍게도 LOS 링크보다 NLOS 링크가 간섭과 차단 영향이 적어 더 나은 성능을 보임을 보여준다.

ABSTRACT

In this paper, we study the impact and the improvement of using cooperative non-orthogonal multiple access scheme (NOMA) on a millimeter wave (mmWave) vehicular network at intersection roads. The intersections consists of two perpendicular roads. The transmission occurs between a source, and two destinations nodes with a help of a relay. We assume that the interference comes from as set of vehicles that are distributed as a one dimensional homogeneous Poisson point process (PPP). We derive closed form outage probability expressions for cooperative NOMA, and compare them with cooperative orthogonal multiple access (OMA). We show that, NOMA offers a significant improvement, especially for high data rates. However, there a condition imposed to the data rate, otherwise, the performance of NOMA will decreases dramatically. We show that as the nodes approach 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. The analysis is conducted using tools from stochastic geometry and is verified with Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 안전 응용에 필수적인 높은 스펙트럼 효율성과 신뢰성을 요구하는 교차로에서 mmWave 차량용 네트워크의 협동형 NOMA 성능을 분석하기 위해.
• 건물에 의한 차단, 차량으로부터의 동일 대역 간섭, 나카가미-m 페이딩이 시스템 출구 확률에 미치는 영향을 모델링하고 정량화하기 위해.
• 교차로에서 라인오브사이트(LOS)와 비라인오브사이트(NLOS) 전파 조건이 출구 성능에 미치는 영향을 분석하고, 협동형 NOMA와 협동형 OMA를 비교하기 위해.
• 일반적으로 이전 연구에서 사용되는 근사치에 의존하지 않고, 스토하스틱 기하학을 사용하여 출구 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도하기 위해.

제안 방법

• 수직 교차로에서 하나의 소스, 두 개의 목적지, 하나의 릴레이를 포함하는 mmWave 차량용 네트워크를 협동형 NOMA 프로토콜을 사용하여 모델링한다.
• 두 도로에 걸쳐 일차원 동일한 포아송 점 프로세스(PPP)로 간섭 차량을 표현하여 무작위 차량 분포와 간섭을 캡처한다.
• 건물에 의한 차단을 확률적 LOS/NLOS 전송 모델을 사용하여 표현하며, LOS 링크(높은 m)와 NLOS 링크(낮은 m)에 대해 별개의 나카가미-m 페이딩 파rameter를 적용한다.
• PPP의 확률 생성 기능(PGFL)과 경로 손실 지수 α=2에 대한 폐쇄형 적분을 사용하여 두 도로의 간섭의 라플라스 변환을 유도한다.
• 각 수신기에서 신호 대 간섭 + 노이즈 비율(SINR)을 평가하여 NOMA 및 OMA 방식의 출구 확률을 계산하며, 모멘트 생성 함수(MGF)와 역 라플라스 변환 기법을 사용한다.
• 분석 결과의 정확성을 검증하기 위해 몬테카를로 시뮬레이션을 수행하여 유도된 폐쇄형 표현식의 정확성을 확인한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 실제 간섭과 차단 조건 하에서 교차로에서의 협동형 NOMA 성능이 협동형 OMA 성능보다 어떻게 다를까?
• RQ2 차량 밀도와 분포(PPP로 모델링)는 협동형 NOMA mmWave 네트워크의 출구 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 특히 차단과 페이딩을 고려할 때, LOS와 NLOS 전파 조건은 교차로에서의 출구 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 근사치 없이도, 나카가미-m 페이딩과 간섭을 고려한 mmWave 네트워크에서 협동형 NOMA에 대한 출구 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 도출할 수 있는가?
• RQ5 교차로에서의 거리가 협동형 NOMA 시스템에서 릴레이 링크 및 직접 링크의 출구 확률에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 협동형 NOMA는 효율적인 전력 도메인 다중접속과 순차적 간섭 제거 덕분에 고속도에서 출구 확률 측면에서 협동형 OMA를 크게 능가한다.
• 차량이 교차로에 가까워질수록 간섭과 차단 확률이 증가함에 따라 출구 확률이 증가하며, 특히 릴레이 또는 목적지가 교차로 근처에 있을 경우 더욱 두드러진다.
• 直관과는 반대로, NLOS 시나리오는 LOS 시나리오보다 더 나은 성능을 보이며, 이는 동일 도로의 차량으로부터의 간섭이 감소하고, 차단에 의한 샤프닝 영향을 덜 받기 때문이다.
• α=2일 때 간섭의 라플라스 변환과 출구 확률에 대한 폐쇄형 표현식이 유도되었으며, 이는 수치 근사 없이 정확한 성능 평가를 가능하게 한다.
• 유도된 출구 확률 표현식은 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었으며, 분석의 정확성과 모델의 강건성을 확인하였다.
• LOS와 NLOS 링크에 대해 다른 m 값을 사용한 나카가미-m 페이딩의 사용은 통계적 채널 변동을 정확히 반영하여 성능 평가의 현실성과 향상을 높였다.