[论文解读] UAV-Aided Multi-Way NOMA Networks with Residual Hardware Impairments

Xingwang Li, Qunshu Wang+4 more|arXiv (Cornell University)|May 17, 2020

UAV Applications and Optimization参考文献 18被引用 7

一句话总结

本文提出了一种带有残留硬件损伤（RHIs）的无人机辅助多路NOMA中继网络，分析了在实际硬件约束下的可实现和速率（ASR）。结果表明，NOMA将时隙数从 (M−1)/2+1 减少至2，显著提升了ASR，优于OMA；同时，发射机和接收机处的RHIs对性能的损害程度相当，并在高信噪比（SNR）下限制了频谱效率。

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.

研究动机与目标

• 分析在存在实际残留硬件损伤（RHIs）的无人机辅助多路NOMA中继网络中的可实现和速率（ASR）。
• 比较具有无人机中继的多路中继网络中NOMA与正交多址接入（OMA）的频谱效率。
• 研究硬件损伤对系统性能的影响，特别是对收发节点的影响。
• 推导ASR的高SNR渐近表达式，包括高SNR斜率和高SNR功率偏移，以深入理解系统性能。
• 评估无人机部署在实际硬件受限网络中优化ASR的潜力。

提出的方法

• 建立一个由M个单天线地面用户通过放大转发（AF）无人机中继进行信息交换的多路中继网络模型。
• 采用与功率相关的损伤因子，利用失真模型在所有收发节点（发射机、接收机和中继）中引入实际的残留硬件损伤（RHIs）。
• 在Nakagami-m衰落信道下，推导出可实现和速率（ASR）的闭式近似表达式。
• 通过推导高SNR斜率和高SNR功率偏移，进行高SNR渐近分析，以表征系统在高SNR下的行为。
• 通过10⁵次蒙特卡洛仿真验证分析结果，涵盖不同用户数和RHI水平的各种配置。
• 评估无人机高度和用户位置对ASR的影响，以评估部署灵活性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在相同的硬件和信道条件下，无人机辅助NOMA多路中继网络的可实现和速率（ASR）与OMA相比如何？
• RQ2 残留硬件损伤（RHIs）对ASR有何影响？发射机和接收机损伤是否对性能产生相同的影响？
• RQ3 高SNR斜率和高SNR功率偏移如何表征所提NOMA系统的性能极限？
• RQ4 在存在硬件损伤的情况下，无人机部署能在多大程度上优化ASR？
• RQ5 用户数量如何影响多路中继网络中NOMA相对于OMA的ASR增益？

主要发现

• 所提出的基于NOMA的无人机辅助多路中继网络相比OMA实现了显著更高的ASR，将所需时隙数从 (M−1)/2+1 减少至仅2个。
• 残留硬件损伤（RHIs）会降低ASR性能，且发射机和接收机损伤对性能的负面影响相当。
• 在高SNR下，由于残留干扰的存在，ASR趋近于一个固定常数，证实了高SNR功率偏移极限的存在。
• 推导出了高SNR斜率，表明即使存在硬件损伤，NOMA仍能保持有利的频谱效率扩展特性。
• 仿真结果证实，当无人机部署在用户群集附近（例如在(0,0)位置）时，ASR达到最大值，原因在于路径损耗降低和信道质量改善。
• 随着用户数量的增加，NOMA与OMA之间的ASR差距也随之增大，凸显了NOMA在多用户场景中的可扩展性优势。