[논문 리뷰] Outage Analysis of Cooperative NOMA Using Maximum Ratio Combining at Intersections

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 09. 04.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 35인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 교차로에서 차량 통신을 위한 협동 비직교 다중접근(NOMA) 기반 최대비율합성(MRC) 방식을 제안하며, 스토하스틱 기하학을 사용하여 동일 대역 간섭을 모델링한다. 폐쇄형 외상 확률 표현식을 유도하고, 간섭이 증가하는 교차로 근처에서 MRC-NOMA가 전통적인 협동 NOMA 및 MRC-OMA보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보임을 입증한다.

ABSTRACT

The paper investigates the improvement of using maximum ratio combining (MRC) in cooperative vehicular communications (VCs) transmission schemes considering non-orthogonal multiple access scheme (NOMA) at intersections. The transmission occurs between a source and two destination nodes with a help of a relay. The transmission is subject to interference originated from vehicles that are located on the roads. Closed form outage probability expressions are obtained. We compare the performance of MRC cooperative NOMA with a classical cooperative NOMA, and show that implementing MRC in cooperative NOMA transmission offers a significant improvement over the classical cooperative NOMA in terms of outage probability. We also compare the performance of MRC cooperative NOMA with MRC cooperative orthogonal multiple access (OMA), and we show that NOMA has a better performance than OMA. Finally, we show that the outage probability increases when the nodes come closer to the intersection, and that using MRC considering NOMA improves the performance in this context. The analysis is verified with Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 교차로에서의 협동 NOMA에 영향을 미치는 동일 대역 간섭의 영향을 분석하기 위해.
• 협동 NOMA 전송 방식에서 최대비율합성(MRC)을 사용할 경우의 성능 향상을 평가하기 위해.
• 외상 확률 측면에서 MRC-NOMA를 전통적 협동 NOMA 및 MRC-OMA와 비교하기 위해.
• 노드가 교차로에 가까워질수록 시스템 신뢰성과 MRC-NOMA의 효과성이 어떻게 변화하는지 조사하기 위해.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하기 위해.

제안 방법

• 두 개의 수직 도로에서 오는 차량의 간섭을 일차원 동질 포아송 점 프로세스(1D-HPPP)로 모델링한다.
• 스토하스틱 기하학을 적용하여 각 수신기에서 두 도로의 집합 간섭의 라플라스 변환을 유도한다.
• 릴레이 및 목적지 노드에서 신호 대 간섭+노이즈비(SINR)를 분석함으로써 MRC-NOMA 하에서 외상 확률에 대한 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• PPP의 확률 생성 기능(PGFL)을 사용하여 간섭 분포 및 간섭 전력의 라플라스 변환을 계산한다.
• 채널 이득에 대해 나카가미-m fading을 고려하고, NOMA에서 전력 도메인 다중화를 적용하며 서로 다른 전력 할당 계수를 사용한다.
• 노드가 교차로에서의 거리가 다양할 경우 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 협동 NOMA에서 MRC를 사용할 경우, 교차로 환경에서 전통적 협동 NOMA 대비 외상 확률에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 동일한 간섭 및 경로 손실 조건 하에서 MRC-NOMA는 MRC-OMA 대비 외상 확률 측면에서 어떤 성능 향상을 보이는가?
• RQ3 원천 및 리레이 노드가 교차로 지점에 가까워질수록 외상 확률은 어떻게 변화하는가?
• RQ4 두 도로에서 오는 동일 대역 간섭을 고려한 차량 네트워크에서 MRC-NOMA의 외상 확률에 대한 해석적 표현식은 무엇인가?
• RQ5 시뮬레이션 결과와 비교했을 때 유도된 폐쇄형 외상 확률 표현식의 정확도는 어느 정도인가?

주요 결과

• 특히 간섭이 높은 교차로 근처 지역에서 MRC-NOMA는 전통적 협동 NOMA보다 외상 확률 감소 효과가 뚜렷하다.
• 노드가 교차로에 가까워질수록 더 높은 동일 대역 간섭으로 인해 외상 확률이 증가하지만, MRC-NOMA는 이에 효과적으로 대응하여 성능 저하를 완화한다.
• 외상 확률 측면에서 MRC-NOMA는 MRC-OMA를 능가하며, 차량 네트워크에서 NOMA의 스펙트럼 효율성 우수성을 확인한다.
• 간섭의 라플라스 변환을 사용하여 폐쇄형 외상 확률 표현식을 유도하였으며, 높은 정확도로 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 검증되었다.
• 유도된 표현식은 경로 손실, 교차로에서의 노드 거리, 전력 할당 계수에 의존하며, 두 임계값 중 최댓값에 명시적인 의존성이 있다.
• α=2일 경우, 각 도로에서 오는 간섭의 라플라스 변환은 exp(−pλX sπ / √(my² + s)) 형태로 폐쇄형으로 유도되어 외상 분석이 가능해진다.