[논문 리뷰] UAV-Aided Multi-Way NOMA Networks with Residual Hardware Impairments

Xingwang Li, Qunshu Wang외 4명|arXiv (Cornell University)|2020. 05. 17.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 18인용 수 7

한 줄 요약

이 논문은 잔류 하드웨어 결함(Residual Hardware Impairments, RHIs)이 있는 UAV 보조 다자간 NOMA 중계망을 제안하며, 현실적인 하드웨어 제약 조건 하에서의 구현 가능한 총 데이터율(ASR)을 분석한다. 연구 결과, NOMA는 시간 슬롯 수를 (M−1)/2+1에서 2로 줄여 OMA 대비 상당한 ASR 향상을 이룬다. 또한 송신기 및 수신기의 RHIs는 동일하게 성능을 저하시키며 고신호대역비(SNR)에서 스펙트럼 효율의 한계를 초래한다.

ABSTRACT

In this paper, we study an unmanned aerial vehicle (UAV)-aided non-orthogonal multiple access (NOMA) multi-way relaying networks (MWRNs). Multiple terrestrial users aim to exchange their mutual information via an amplify-and-forward (AF) UAV relay. Specifically, the realistic assumption of the residual hardware impairments (RHIs) at the transceivers is taken into account. To evaluate the performance of the considered networks, we derive the analytical expressions for the achievable sum-rate (ASR). In addition, we carry out the asymptotic analysis by invoking the affine expansion of the ASR in terms of \emph{high signal-to-noise ratio (SNR) slope} and \emph{high SNR power offset}. Numerical results show that: 1) Compared with orthogonal multiple access (OMA), the proposed networks can significantly improve the ASR since it can reduce the time slots from $\left[ {\left( {M - 1} ight)/2} ight] + 1$ to 2; and 2) RHIs of both transmitter and receiver have the same effects on the ASR of the considered networks.

연구 동기 및 목표

• 실제 잔류 하드웨어 결함(RHIs) 조건 하에서 UAV 보조 다자간 NOMA 중계망의 구현 가능한 총 데이터율(ASR)을 분석하기 위해.
• UAV 중계기를 이용한 다자간 중계망에서 NOMA와 오р토곤럴 다중접근(OMA) 간의 스펙트럼 효율을 비교하기 위해.
• 특히 수신기 노드에서의 하드웨어 결함이 시스템 성능에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• 고신호대역비 점근적 표현식을 유도하여 고신호대역비에서의 기울기와 전력 오프셋을 도출함으로써 성능 한계를 이해하기 위해.
• 실제 하드웨어 제약 조건이 존재하는 네트워크에서 UAV 배치가 ASR 최적화에 얼마나 기여할 수 있는지 평가하기 위해.

제안 방법

• M개의 단일 안테나 지상 사용자들이 앰플리파이 앤 포워드(AF) UAV 중계기를 통해 정보를 교환하는 다자간 중계망을 모델링한다.
• 모든 수신기 노드—송신기, 수신기, 중계기—에 대해 전력에 의존하는 결함 요소를 갖는 왜곡 모델을 사용하여 현실적인 잔류 하드웨어 결함(RHIs)을 통합한다.
• Nakagami-m fading 채널 조건 하에서 구현 가능한 총 데이터율(ASR)에 대한 닫힌 형태의 근사 수식을 유도한다.
• 고신호대역비 점근적 분석을 수행하여 고신호대역비 기울기와 고신호대역비 전력 오프셋을 유도함으로써 고신호대역비에서의 시스템 행동을 특성화한다.
• 다양한 구성 조건(사용자 수, RHI 수준 등) 하에서 분석 결과를 검증하기 위해 10⁵회의 몬테카를로 시뮬레이션을 수행한다.
• UAV 고도와 사용자 위치가 ASR에 미치는 영향을 평가하여 설치 유연성을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 동일한 하드웨어 및 채널 조건 하에서 UAV 보조 NOMA 다자간 중계망의 구현 가능한 총 데이터율(ASR)은 OMA에 비해 어떻게 다를까?
• RQ2 잔류 하드웨어 결함(RHIs)은 ASR에 어떤 영향을 미치며, 송신기 및 수신기의 결함은 성능에 동일하게 영향을 미치는가?
• RQ3 고신호대역비 기울기와 고신호대역비 전력 오프셋은 제안된 NOMA 시스템의 성능 한계를 어떻게 특성화하는가?
• RQ4 UAV 배치가 하드웨어 결함이 존재하는 상황에서 ASR 최적화에 얼마나 기여할 수 있는가?
• RQ5 사용자 수가 다자간 중계망에서 NOMA가 OMA 대비 ASR 향상에 기여하는 정도에 영향을 미치는가?

주요 결과

• 제안된 NOMA 기반 UAV 보조 다자간 중계망은 OMA보다 상당히 높은 ASR를 달성하며, 필요로 하는 시간 슬롯 수를 (M−1)/2+1에서 단 2로 줄였다.
• 잔류 하드웨어 결함(RHIs)은 ASR 성능을 저하시키며, 송신기 및 수신기의 결함이 성능에 동일한 부정적 영향을 미친다.
• 고신호대역비에서 잔류 간섭으로 인해 ASR는 고정된 상수로 수렴함을 확인하여 고신호대역비 전력 오프셋 한계가 존재함을 입증한다.
• 고신호대역비 기울기가 도출되었으며, 이는 하드웨어 결함이 존재하더라도 NOMA가 유리한 스펙트럼 효율 스케일링을 유지함을 보여준다.
• 시뮬레이션 결과, 사용자 집합 근처(예: (0,0) 위치)에 UAV를 설치할 경우 경로 손실이 감소하고 채널 품질이 향상되어 ASR가 최대가 된다.
• 사용자 수가 증가할수록 NOMA와 OMA 간의 ASR 격차가 커지며, 이는 다중 사용자 환경에서 NOMA의 확장성 우수성을 강조한다.