[论文解读] Hardware and Interference Limited Cooperative CR-NOMA Networks under Imperfect SIC and CSI

Sultangali Arzykulov, Galymzhan Nauryzbayev+2 more|arXiv (Cornell University)|Apr 22, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 47被引用 29

一句话总结

本文分析了在硬件限制和干扰受限条件下，存在非完美连续干扰 cancellation（SIC）与信道状态信息（CSI）的协作认知无线电非正交多址接入（CR-NOMA）网络的中断性能。推导了在实际损伤下的端到端中断概率（OP）闭式表达式，结果表明CR-NOMA优于正交多址接入（OMA），但在高硬件损伤、SIC错误和CSI不准确时性能显著下降。

ABSTRACT

The conflation of cognitive radio (CR) and nonorthogonal multiple access (NOMA) concepts is a promising approach to fulfil the massive connectivity goals of future networks given the spectrum scarcity. Accordingly, this letter investigates the outage performance of imperfect cooperative CR-NOMA networks under hardware impairments and interference. Our analysis is involved with the derivation of the end-to-end outage probability (OP) for secondary NOMA users by accounting for imperfect channel state information (CSI), as well as the residual interference caused by successive interference cancellation (SIC) errors and coexisting primary/secondary users. The numerical results validated by Monte Carlo simulations show that CR-NOMA network provides a superior outage performance over orthogonal multiple access. As imperfections become more significant, CR-NOMA is observed to deliver relatively poor outage performance.

研究动机与目标

• 分析在真实硬件和信道损伤条件下，协作式CR-NOMA网络的端到端中断性能。
• 建立并量化非完美连续干扰取消（SIC）、信道状态信息（CSI）误差以及硬件损伤对次用户（SU）可靠性的影响。
• 在干扰受限条件和干扰温度约束（ITC）下，推导NOMA用户中断概率（OP）的闭式表达式。
• 在各种实际损伤下，对比CR-NOMA与正交多址接入（OMA）的性能。
• 通过不同水平的硬件畸变、SIC错误和CSI不准确下的蒙特卡洛仿真，验证分析结果。

提出的方法

• 为下行链路协作式CR-NOMA网络提出一种两时隙半双工解码转发（DF）中继模型，包含一个源（S）、一个中继（R）和B个次用户（U1至UB）。
• 使用最小均方误差（MMSE）估计建模信道系数，估计误差方差ζi ∝ ρ−κ，其中ρ为发射信噪比（SNR）。
• 通过聚合畸变噪声φ(·) = √(φ²t + φ²r)引入硬件损伤，建模发射机和接收机的损伤。
• 推导中继解码（γR,j）和用户检测（γb,j）阶段的瞬时信干畸变比（SIDNR）表达式，考虑SIC错误引起的残留干扰。
• 利用两个SIDNR（γR,j和γb,j）最小值的累积分布函数（CDF）计算中断概率（OP），公式为FγR,j(ψj) + Fγj(ψj) − FγR,j(ψj)Fγj(ψj)，其中ψj = 2²ᴿᵗʰʲ − 1。
• 使用指数积分函数（Ei[·]）和拉普拉斯变换推导γR,j和γb,j的闭式CDF表达式，并通过蒙特卡洛仿真验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 非完美SIC对CR-NOMA网络中次级NOMA用户中断性能有何影响？
• RQ2 在干扰约束下，硬件损伤（HIs）对NOMA用户端到端中断概率有何影响？
• RQ3 CSI不准确性（通过ζi ∝ ρ−κ建模）如何影响系统可靠性及高SNR下的饱和行为？
• RQ4 共存主用户和干扰温度约束（ITC）的存在如何影响NOMA用户中断？
• RQ5 在严重硬件和SIC损伤下，CR-NOMA是否仍优于OMA？

主要发现

• 在20 dB发射SNR下，U1的中断概率从无主用户干扰时的0.09上升至PT = 10 dB时的0.12，以及PT = 25 dB时的0.62，表明主用户干扰导致性能显著下降。
• 当ϵ = 0.03（高SIC不完善）时，U2在30 dB SNR下的中断概率达到0.45，而完美SIC下仅为0.09，表明性能严重退化。
• 当φ = 0.15（高硬件损伤）时，U1的OP在30 dB SNR下恶化0.025，U2恶化0.3，表明U2对畸变更敏感。
• 当θ = 0.1时，NOMA和OMA用户在所有SNR水平下均发生完全中断，表明CSI不确定性不可容忍。
• 当κ = 1.5且θ = 10时，系统在高SNR下趋近于完美CSI性能，表明SNR相关CSI误差可改善中断性能。
• 即使在高硬件损伤（φ = 0.15）下，NOMA仍优于OMA，尽管OMA用户发生完全中断，凸显NOMA在实际条件下的鲁棒性。