[论文解读] Multiple Antenna Aided NOMA in UAV Networks: A Stochastic Geometry Approach

Tianwei Hou, Yuanwei Liu+3 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用 8

一句话总结

本文提出了一种用于MIMO-NOMA增强型无人机网络的三维随机几何框架，以提升频谱效率和覆盖范围。通过在随机空间布局中建模无人机和用户，推导出中断概率和平均速率的解析表达式，结果表明中断概率对用户速率和功率分配极为敏感，当干扰随无人机功率增长时，会出现误码地板。

ABSTRACT

This article investigates the multiple-input multiple-output (MIMO) non-orthogonal multiple access (NOMA) assisted unmanned aerial vehicles (UAVs) networks. By utilizing a stochastic geometry model, a new 3-Dimension UAV framework for providing wireless service to randomly roaming NOMA users has been proposed. In an effort to evaluate the performance of the proposed framework, we derive analytical expressions for the outage probability and the ergodic rate of MIMO-NOMA enhanced UAV networks. We examine tractable upper bounds for the whole proposed framework, with deriving asymptotic results for scenarios that transmit power of interference sources being proportional or being fixed to the UAV. For obtaining more insights for the proposed framework, we investigate the diversity order and high signal-to-noise (SNR) slope of MIMO-NOMA assisted UAV networks. Our results confirm that: i) The outage probability of NOMA enhanced UAV networks is affected to a large extent by the targeted transmission rates and power allocation factors of NOMA users; and ii) For the case that the interference power is proportional to the UAV power, there are error floors for the outage probabilities.

研究动机与目标

• 为解决5G和物联网网络中大规模设备连接带来的高谱效率和可靠连接需求。
• 利用随机几何建模随机部署的NOMA用户无人机网络，实现可 tractable 的性能分析。
• 评估功率分配和干扰对MIMO-NOMA无人机系统中断概率和平均速率的影响。
• 推导高信噪比和干扰成比例场景下的渐近结果及分集增益。
• 通过解析性能边界为实际无人机-NOMA部署提供设计洞见。

提出的方法

• 构建三维随机几何模型，以泊松点过程表示无人机和随机分布的NOMA用户。
• 系统采用MIMO-NOMA技术，结合信号对齐与连续干扰 cancellation（SIC），实现每个资源块服务多个用户。
• 利用随机几何工具和特殊函数，推导出中断概率和平均速率的解析表达式。
• 分析考虑两种干扰模型：固定干扰功率与干扰与无人机发射功率成比例。
• 在高信噪比（SNR）区域推导出中断概率和平均速率的渐近表达式，支持分集增益和SNR斜率分析。
• 求解涉及不完全伽马函数和梅杰-G函数的复杂数值积分，通过级数展开和特殊函数恒等式求解。

实验结果

研究问题

• RQ1 MIMO-NOMA无人机网络的中断概率如何随用户目标速率和功率分配因子变化？
• RQ2 干扰功率按比例缩放（固定 vs. 与无人机功率成比例）对系统可靠性有何影响？
• RQ3 所提出的MIMO-NOMA无人机框架的分集增益和高信噪比斜率是多少？
• RQ4 能否在随机空间部署下为平均速率和中断概率推导出可 tractable 的上界？
• RQ5 解析结果与无人机-NOMA系统实际部署约束的对比如何？

主要发现

• 中断概率显著受NOMA用户的目标传输速率和功率分配因子影响，表明对系统设计参数高度敏感。
• 当干扰功率与无人机发射功率成比例时，系统在中断概率上表现出误码地板，导致高信噪比下性能增益受限。
• 分集增益由信道增益最差的用户决定，凸显了NOMA中用户配对的重要性。
• 在高信噪比区域，平均速率收敛至常数，分集增益受限于NOMA用户对中链路最弱的用户。
• 通过α=3时涉及梅杰-G函数的精确积分解，验证了所推导的中断和平均速率渐近表达式的正确性。
• 所提出的解析框架可在无需基站获取完整信道状态信息的情况下实现性能评估，显著提升实用性。