[论文解读] On the Performance of Non-Orthogonal Multiple Access over Composite Fading Channels

Khaled M. Rabie, Abubakar U. Makarfi+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 16, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用 4

一句话总结

本文提出了一项关于在Fisher-Snedecor 𝒻复合衰落信道中采用解码与转发（DF）中继的非正交多址接入（NOMA）协作中继系统的性能分析。该文推导出NOMA与正交多址接入（OMA）系统的精确闭式遍历容量表达式，结果表明当功率分配因子被优化时，NOMA显著优于OMA，尤其是在衰落和阴影参数增大时表现更优。

ABSTRACT

This paper analyzes the performance of a cooperative relaying non-orthogonal multiple access (NOMA) network over Fisher-Snedecor F composite fading channels. Specifically, one base station (BS) is assumed to communicate with two receiving mobile users with one acting also as a decode-and-forward (DF) relay. To highlight the achievable performance gains of the NOMA scheme, conventional relaying with orthogonal multiple access (OMA) is also analyzed. For the two systems under consideration, we derive novel exact closed-form expressions for the ergodic capacity along with the corresponding asymptotic representations. The derived expressions are then used to assess the influence of various system parameters, including the fading and shadowing parameters, on the performance of both the NOMA and OMA systems. Monte-Carlo simulation are provided throughout to verify the accuracy of our analysis. Results reveal that the NOMA system can considerably outperform the OMA approach when the power allocation factor is carefully selected. It is also shown that as the fading and/or shadowing parameters are increased, the ergodic capacity performance enhances.

研究动机与目标

• 分析协作NOMA系统在复合衰落信道中的性能，特别是Fisher-Snedecor 𝒻分布，该分布可同时建模多径衰落与阴影效应。
• 在该衰落模型下，推导出NOMA与传统OMA系统遍历容量的精确闭式表达式。
• 研究关键系统参数（如衰落与阴影严重程度）对NOMA与OMA性能的影响。
• 通过蒙特卡罗仿真验证分析结果，并比较NOMA相较于OMA的频谱效率增益。
• 提供遍历容量的渐近表达式，以支持在高信噪比（SNR）场景下的性能评估。

提出的方法

• 利用梅杰G函数，推导出两个Fisher-Snedecor 𝒻随机变量最小值的概率密度函数（PDF）与累积分布函数（CDF）的新型闭式表达式。
• 将推导出的PDF与CDF应用于计算两跳解码与转发（DF）协作NOMA系统的遍历容量。
• 采用相同框架计算传统OMA-based协作中继系统的遍历容量，以供对比。
• 利用梅杰G函数将遍历容量以精确闭式表达，实现性能评估的高精度。
• 推导出在高SNR区域的遍历容量渐近表达式，以分析分集增益与高SNR斜率。
• 通过广泛的蒙特卡罗仿真验证所有分析结果的准确性与可靠性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在Fisher-Snedecor 𝒻复合衰落信道下，基于NOMA的协作中继系统的遍历容量与OMA相比如何？
• RQ2 衰落与阴影参数对复合衰落信道中NOMA与OMA系统遍历容量的影响是什么？
• RQ3 在所考虑的协作中继设置中，功率分配因子如何影响NOMA相较于OMA的性能增益？
• RQ4 在Fisher-Snedecor 𝒻衰落信道下，NOMA与OMA在高SNR区域的渐近遍历容量行为如何？
• RQ5 与仿真结果相比，所推导的精确闭式表达式在预测系统性能方面有多准确？

主要发现

• 利用梅杰G函数，推导出两个Fisher-Snedecor 𝒻随机变量最小值的PDF与CDF的精确闭式表达式，从而实现精确的性能分析。
• 当功率分配因子被最优选择时，NOMA系统的遍历容量显著优于OMA系统，展现出频谱效率增益。
• 随着衰落与阴影参数的增加，NOMA与OMA系统的遍历容量均提升，表明在更强阴影或衰落条件下性能更优。
• 渐近遍历容量表达式表明，NOMA相较于OMA具有更高的分集增益与更好的高SNR斜率，证实其在高SNR区域的优越性。
• 蒙特卡罗仿真验证了所推导表达式的分析准确性，理论结果与仿真结果完全一致。
• Fisher-Snedecor 𝒻模型相较于其他模型（如广义K分布）能更准确且更易处理地描述复合衰落，尤其在计算复杂度与建模保真度方面表现更优。