[논문 리뷰] Wireless Powered Cooperative Relaying using NOMA with Imperfect CSI

Dinh‐Thuan Do, Mojtaba Vaezi외 1명|arXiv (Cornell University)|2018. 09. 29.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 14인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 부정확한 채널 상태 정보(CSI)를 고려한 에너지 수확(EH) 협동 비정렬 다중접근(NOMA) 네트워크를 조사하며, 리레이가 소스의 신호로부터 에너지를 수확하여 데이터를 전송하는 소스-리레이-보조 시스템에 초점을 맞춘다. 고정 및 동적 전력 할당 하에서 두 사용자에 대해 폐쇄형의 외상 확률 식을 유도하여, NOMA가 CSI 오류가 있는 경우에도 정렬 다중접근(OMA)을 능가함을 보이며, 특히 나카가미-m fading 및 리레이-사용자 링크 추정 오류가 있는 조건에서 뛰어난 성능을 보인다.

ABSTRACT

The impact of imperfect channel state (CSI) information in an energy harvesting (EH) cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA) network, consisting of a source, two users, and an EH relay is investigated in this paper. The relay is not equipped with a fixed power source and acts as a wireless powered node to help signal transmission to the users. Closed-form expressions for the outage probability of both users are derived under imperfect CSI for two different power allocation strategies namely fixed and dynamic power allocation. Monte Carlo simulations are used to numerically evaluate the effect of imperfect CSI. These results confirm the theoretical outage analysis and show that NOMA can outperform orthogonal multiple access even with imperfect CSI.

연구 동기 및 목표

• 에너지 수확 리레이를 갖는 무선 전원 공급 협동 NOMA 네트워크에서 부정확한 CSI가 외상 성능에 미치는 영향을 분석하는 것.
• 리레이가 수확한 에너지를 사용하여 전송을 보조하는 실용적인 시나리오를 모델링하며, 소스-리레이 링크에 대한 완벽한 CSI와 리레이-사용자 링크에 대한 부정확한 CSI를 가정하는 것.
• 고정 및 동적 전력 할당 전략 하에서 두 사용자에 대해 폐쇄형 외상 확률 식을 유도하는 것.
• 채널 추정 오차로 인한 성능 저하를 평가하고, 완벽한 CSI 경우와 비교하는 것.

제안 방법

• 소스, 두 사용자, 에너지 수확 리레이를 갖는 허프디플렉스, 단일 안테나 협동 NOMA 시스템을 모델링하며, 리이는 신호를 디코딩하고 전달하는 방식을 취한다.
• 소스-리레이 링크에 대해 완벽한 CSI를 가정하고, 리레이-사용자 링크에 대해 부정확한 CSI를 가정하며, 추정 오차를 통계적 채널 모델로 모델링한다.
• 나카가미-m 페이딩 채널의 순서 통계 및 누적분포함수(CDF)/확률밀도함수(PDF)를 이용하여 두 사용자에 대한 폐쇄형 외상 확률 식을 유도한다.
• 적분을 통한 처리 기법으로 지수 및 수정 베셀 함수를 활용하고, 수치적 평가를 위해 가우시안-체비셰프 사다리꼴 적분법을 적용한다.
• 고정 전력 할당 및 채널 상태에 기반한 동적 전력 할당이라는 두 가지 전력 할당 전략을 고려한다.
• 나카가미-m 페이딩 조건 하에서 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 결과를 검증하며, 부정확한 CSI 및 완벽한 CSI 시나리오를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 리레이에서의 부정확한 CSI는 에너지 수확 협동 네트워크의 NOMA 사용자 외상 성능에 어떻게 영향을 미치는가?
• RQ2 부정확한 CSI 하에서 고정 및 동적 전력 할당 전략에 따른 NOMA 사용자에 대한 폐쇄형 외상 확률 식은 무엇인가?
• RQ3 CSI가 부정확할 경우 NOMA의 성능은 정렬 다중접근(OMA)과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ4 채널 추정 오차는 에너지 수확 리레이의 신뢰성에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 다양한 전력 할당 전략은 EH-NOMA 네트워크에서 부정확한 CSI의 영향을 어떻게 완화하는가?

주요 결과

• 두 사용자에 대해 유도된 외상 확률 식은 나카가미-m 페이딩 매개수 m에 대해 어떤 값이라도 유효하며, m=1일 경우 레이일리 페이딩 케이스로 복원된다.
• 부정확한 CSI 조건 하에서도 NOMA의 외상 성능는 OMA를 능가하며, 채널 추정 오차에 대한 강건성을 입증한다.
• 동적 전력 할당은 고정 전력 할당보다 더 낮은 외상 확률을 달성하며, 특히 저SNR 영역에서 두드러진다.
• 완벽한 CSI와의 성능 격차는 추정 오차 분산이 증가할수록 커지지만, NOMA는 여전히 OMA를 능가한다.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 이론적 외상 확률 식의 정확성을 확인하고 분석적 유도의 타당성을 검증한다.
• 특히 리레이-사용자 링크 추정 오차가 중간 수준일 경우, 시스템은 부정확한 CSI 조건 하에서도 신뢰할 수 있는 통신을 달성한다.