[论文解读] An Outage Probability Analysis of Full-Duplex NOMA in UAV Communications

Tan Zheng Hui Ernest, A. S. Madhukumar+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 5, 2019

Full-Duplex Wireless Communications参考文献 11被引用 4

一句话总结

本文分析了在Rician衰落阴影衰落信道中无人机（UAV）通信系统中全双工非正交多址接入（FD-NOMA）的中断概率。推导了闭式中断表达式，表明在低发射功率下，FD-NOMA优于半双工NOMA（HD-NOMA）和半双工OMA（HD-OMA），但在高功率下受限于残留自干扰和UAV间干扰，下行链路UAV成为系统瓶颈。

ABSTRACT

As unmanned aerial vehicles (UAVs) are expected to play a significant role in fifth generation (5G) networks, addressing spectrum scarcity in UAV communications remains a pressing issue. In this regard, the feasibility of full-duplex non-orthogonal multiple access (FD-NOMA) UAV communications to improve spectrum utilization is investigated in this paper. Specifically, closed-form outage probability expressions are presented for FD-NOMA, half-duplex non-orthogonal multiple access (HD-NOMA), and half-duplex orthogonal multiple access (HD-OMA) schemes over Rician shadowed fading channels. Extensive analysis revealed that the bottleneck of performance in FD-NOMA is at the downlink UAVs. Also, FD-NOMA exhibits lower outage probability at the ground station (GS) and downlink UAVs than HD-NOMA and HD-OMA under low transmit power regimes. At high transmit power regimes, FD-NOMA is limited by residual SI and inter-UAV interference at the downlink UAVs and FD-GS, respectively. The impact of shadowing is also shown to affect the reliability of FD-NOMA and HD-OMA at the downlink UAVs.

研究动机与目标

• 通过探索全双工NOMA（FD-NOMA）作为频谱高效替代方案，解决无人机通信中的频谱稀缺问题。
• 在现实的Rician衰落阴影衰落条件下，研究FD-NOMA在无人机网络中的可靠性。
• 从中断概率角度，对比FD-NOMA与半双工NOMA（HD-NOMA）和半双工OMA（HD-OMA）的性能。
• 识别FD-NOMA无人机系统中残余自干扰和UAV间干扰等性能限制因素。
• 分析阴影衰落和路径损耗对地面站和下行链路UAV系统可靠性的影响。

提出的方法

• 构建一个包含一个全双工地面站（FD-GS）、一个上行链路UAV（UAV-1）和两个下行链路UAV（UAV-2、UAV-3）的无人机网络模型，所有节点均工作在全双工模式。
• 使用Rician衰落阴影衰落信道模型，以反映存在视 Line-of-Sight（LoS）和阴影效应的郊区传播特性。
• 推导在Rician衰落阴影衰落信道下，FD-NOMA、HD-NOMA和HD-OMA的闭式中断概率表达式。
• 考虑关键信道损伤：FD-GS处的残余自干扰，以及由于非理想逐次干扰消除（SIC）导致的下行链路UAV处的UAV间干扰。
• 为所有链路（UAV-1到GS、GS到UAV-2/3，以及UAV-1到UAV-2/3）引入路径损耗和距离相关路径损耗模型。
• 利用统计信道状态信息（CSI）和信号干扰加噪声比（SINR）表达式，计算中断概率。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Rician衰落阴影衰落条件下，FD-NOMA在无人机网络中的中断概率性能与HD-NOMA和HD-OMA相比如何？
• RQ2 在低功率和高功率发射功率区域，FD-NOMA无人机系统中的主要性能限制因素是什么？
• RQ3 阴影衰落如何影响FD-NOMA、HD-NOMA和HD-OMA在下行链路UAV处的中断性能？
• RQ4 在FD-NOMA无人机通信中，是地面站还是下行链路UAV构成系统瓶颈？
• RQ5 残余自干扰和非理想SIC对FD-NOMA在地面站和下行链路UAV处的中断性能有何影响？

主要发现

• 在低发射功率区域，FD-NOMA在地面站和下行链路UAV处的中断概率均低于HD-NOMA和HD-OMA。
• 在高发射功率下，FD-NOMA受地面站处的残余自干扰和下行链路UAV处的UAV间干扰限制，导致出现中断错误地板。
• 下行链路UAV是FD-NOMA无人机网络中的系统级瓶颈，尤其由于UAV间干扰和阴影效应。
• 在UAV-2处，严重的阴影衰落与非理想SIC相结合，导致其在高功率下的中断概率高于UAV-3，尽管UAV-2更靠近地面站。
• 在高功率下，尽管UAV-2更靠近地面站，但由于残余干扰（来自非理想SIC）和阴影效应的共同影响，其中断概率高于UAV-3。
• 在高功率下，HD-NOMA和HD-OMA优于FD-NOMA，因为其无自干扰；且由于SINR阈值更低，HD-NOMA的中断概率低于HD-OMA。