[论文解读] Outage Analysis of Cooperative NOMA in Millimeter Wave Vehicular Network at Intersections

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 20, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 28被引用 7

一句话总结

本文利用随机几何方法，分析了在交叉路口处毫米波（mmWave）车联网中采用协作非正交多址（NOMA）的协作非正交多址（NOMA）系统。该研究推导了考虑建筑物遮挡、Nakagami-m衰落以及以泊松点过程建模的车辆同频干扰下的闭式中断概率表达式，结果表明协作NOMA在高数据速率下显著优于正交多址（OMA），且出人意料的是，非视 Line-of-Sight（NLOS）链路性能优于视 Line-of-Sight（LOS）链路，原因在于干扰和遮挡效应的降低。

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.

研究动机与目标

• 分析协作NOMA在道路交叉口处毫米波车联网中的性能，其中高 spectral efficiency 和可靠性对安全应用至关重要。
• 建立并量化建筑物遮挡、车辆同频干扰以及Nakagami-m衰落对系统中断概率的影响。
• 比较协作NOMA与协作OMA在中断性能方面的表现，并评估视 Line-of-Sight（LOS）与非视 Line-of-Sight（NLOS）传播在交叉口处的影响。
• 利用随机几何方法推导出中断概率的闭式表达式，避免了以往研究中常见的近似方法。

提出的方法

• 采用协作NOMA协议，在垂直道路交叉口处建立一个包含一个源、两个目的节点和一个中继的毫米波车联网模型。
• 将干扰车辆建模为两条道路上的一维齐次泊松点过程（PPP），以捕捉车辆分布的随机性及干扰特性。
• 通过概率性的LOS/NLOS传输模型引入交叉口处建筑物的遮挡效应，并为LOS链路（m值较高）和NLOS链路（m值较低）分别设定不同的Nakagami-m衰落参数。
• 利用PPP的概率生成泛函（PGFL）以及路径损耗指数α=2时的闭式积分，推导出来自两条道路的干扰的拉普拉斯变换。
• 通过在每个接收端评估信号与干扰加噪声比（SINR），并结合矩生成函数（MGF）与逆拉普拉斯变换技术，计算NOMA与OMA方案的中断概率。
• 通过蒙特卡洛仿真验证分析结果，确保所推导的闭式表达式的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在真实干扰与遮挡条件下，协作NOMA在交叉路口处的毫米波车联网中的性能与协作OMA相比如何？
• RQ2 车辆密度与分布（建模为PPP）对协作NOMA毫米波网络中断概率有何影响？
• RQ3 LOS与NLOS传播条件如何影响交叉路口处的中断性能，尤其是在考虑遮挡与衰落的情况下？
• RQ4 能否在不依赖近似方法的前提下，为具有Nakagami-m衰落与干扰的协作NOMA毫米波网络推导出中断概率的闭式表达式？
• RQ5 距离交叉口的距离如何影响协作NOMA系统中中继链路与直连链路的中断概率？

主要发现

• 由于高效的功率域复用与连续干扰消除机制，协作NOMA在中断概率方面显著优于协作OMA，尤其在高数据速率下表现更优。
• 随着车辆靠近交叉口，中断概率上升，原因在于干扰增强与遮挡概率提高，尤其当中继或目的节点位于路口附近时更为明显。
• 出人意料的是，NLOS场景的性能优于LOS场景，因为NLOS链路受到同道路车辆干扰更小，且受遮挡引起的阴影衰落影响更小。
• 针对α=2的情况，推导出了干扰拉普拉斯变换与中断概率的闭式表达式，实现了无需数值近似的精确性能评估。
• 通过蒙特卡洛仿真验证了所推导的中断概率表达式的准确性，证实了模型的分析精度与鲁棒性。
• 采用不同m值的Nakagami-m衰落模型能准确捕捉LOS与NLOS链路的统计信道变化，显著提升了性能评估的真实性。