[论文解读] Non-Orthogonal Multiple Access Performance for Millimeter Wave in Vehicular Communications

Baha Eddine Youcef Belmekki, Abdelkrim Hamza+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 25, 2019

Millimeter-Wave Propagation and Modeling参考文献 33被引用 6

一句话总结

本文利用随机几何方法，分析了在道路交叉口处毫米波车辆通信中的非正交多址接入（NOMA）系统，将车辆引起的干扰建模为泊松点过程，并考虑了遮挡与Nakagami-m衰落的影响。研究推导出中断概率的闭式表达式，发现由于干扰减少，非视 Line-of-Sight（NLOS）链路性能优于视 Line-of-Sight（LOS）链路，且NOMA在毫米波V2X网络中相比OMA显著提升了频谱效率。

ABSTRACT

In this paper, we study the performance of millimeter wave (mmWave) vehicular communications (VCs) using non-orthogonal multiple access scheme (NOMA) at road intersections, since there areas are more prone to accidents. We study the case when the intersection involves two perpendicular lanes, we then extend the study to an intersection with several lanes. The transmission occurs between a source, and two destinations. The transmission experiences interference originated from a set of vehicles that are distributed as a Poisson point process (PPP). Our analysis includes the effects of blockage from buildings and vehicles at intersections. Closed form outage probability expressions are obtained. We show that as the nodes reach 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. Finally, we compare the performance of mmWave NOMA with OMA, and we show that NOMA offers a significant improvement over OMA mmWave vehicular networks. The analysis is verified by Monte-Carlo simulation.

研究动机与目标

• 评估在事故更易发生的道路交叉口处毫米波车辆通信中NOMA的性能。
• 对分布在垂直道路的车辆引起的同频干扰进行建模，采用泊松点过程。
• 考虑来自建筑物和车辆的遮挡效应，以及LOS和NLOS链路的Nakagami-m衰落。
• 推导基于NOMA的毫米波V2X系统中中断概率的闭式表达式。
• 比较NOMA与正交多址接入（OMA）在毫米波车载网络中的性能。

提出的方法

• 采用二维泊松点过程对干扰车辆进行建模，构建一个包含一个源节点和两个目的节点的NOMA系统，用于道路交叉口场景。
• 利用随机几何方法推导来自X路和Y路车辆的干扰的拉普拉斯变换，同时考虑LOS和NLOS条件。
• 应用PPP的概率生成泛函（PGFL）计算干扰分布，并推导出中断概率的闭式表达式。
• 对LOS和NLOS链路分别采用不同m参数的Nakagami-m衰落，避免近似处理。
• 通过信道增益和干扰功率的条件期望，推导出NOMA系统中两个用户的中断概率。
• 通过多种网络配置下的蒙特卡洛仿真验证分析结果的准确性。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着车辆接近交叉口，毫米波车载网络中NOMA的中断概率如何变化？
• RQ2 建筑物和车辆的遮挡对毫米波V2X通信中NOMA性能有何影响？
• RQ3 尽管路径损耗更高，为何NLOS场景在中断概率方面仍优于LOS场景？
• RQ4 在毫米波车载网络中，NOMA与OMA在频谱效率和可靠性方面相比如何？
• RQ5 能否为具有Nakagami-m衰落和来自1D-HPPP干扰源的毫米波V2X系统中的NOMA推导出中断概率的闭式表达式？

主要发现

• 随着车辆接近交叉口，由于周围车辆引起的干扰密度增加，中断概率随之上升。
• 出乎意料的是，NLOS场景的性能优于LOS场景，主要原因是同频干扰显著减少，尽管路径损耗更高。
• 在毫米波车载网络中采用NOMA可显著提升频谱效率并降低中断概率，相比OMA有明显优势。
• 成功推导出包含Nakagami-m衰落和来自一维超泊松点过程（1D-HPPP）干扰源的NOMA用户中断概率的闭式表达式。
• 蒙特卡洛仿真验证了分析结果的准确性，确认了所推导表达式的可靠性。
• NOMA相比OMA的性能增益在典型道路交叉口的高干扰环境中最为显著。