[论文解读] Wireless Powered Cooperative Relaying using NOMA with Imperfect CSI

Dinh‐Thuan Do, Mojtaba Vaezi+1 more|arXiv (Cornell University)|Sep 29, 2018

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 14被引用 15

一句话总结

本文研究了在信道状态信息（CSI）不完美情况下的能量采集（EH）协作非正交多址接入（NOMA）网络，聚焦于一种源-中继辅助系统，其中中继从源信号中采集能量以转发数据。研究推导了在固定与动态功率分配下两个用户中断概率的闭式表达式，结果表明，即使存在CSI误差，NOMA在瑞利衰落和中继-用户链路估计不完善的情况下仍优于正交多址接入（OMA），尤其在Nakagami-m衰落环境下表现更优。

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.

研究动机与目标

• 分析不完美CSI对无线供电协作NOMA网络中中断性能的影响。
• 建立一种实际场景模型，其中中继利用采集的能量协助传输，源-中继链路采用完美CSI，而中继-用户链路采用不完美CSI。
• 推导在固定与动态功率分配策略下，两个用户中断概率的闭式表达式。
• 评估信道估计误差导致的性能劣化，并与完美CSI情况下的性能进行比较。

提出的方法

• 建立一个半双工、单天线的协作NOMA系统模型，包含一个源、两个用户和一个能量采集（EH）中继，中继负责解码并转发信号。
• 假设源-中继链路具有完美CSI，而中继-用户链路存在不完美CSI，通过统计信道模型对估计误差进行建模。
• 利用顺序统计方法和Nakagami-m衰落信道的累积分布函数（CDF）与概率密度函数（PDF），推导两个用户的闭式中断概率表达式。
• 采用积分技术，涉及指数函数和修正贝塞尔函数的积分运算，并利用高斯-切比雪夫求积法进行数值计算。
• 考虑两种功率分配策略：固定功率分配与基于信道条件的动态功率分配。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，仿真环境为Nakagami-m衰落信道，对比不完美CSI与完美CSI场景下的性能。

实验结果

研究问题

• RQ1 在能量采集协作网络中，中继处的不完美CSI如何影响NOMA用户的中断性能？
• RQ2 在不完美CSI下，固定与动态功率分配策略中NOMA用户的闭式中断概率表达式是什么？
• RQ3 当CSI不完美时，NOMA与正交多址接入（OMA）的性能相比如何？
• RQ4 信道估计误差对NOMA系统中能量采集中继的可靠性有何影响？
• RQ5 不同的功率分配策略如何缓解EH-NOMA网络中不完美CSI的影响？

主要发现

• 推导出的两个用户中断概率表达式适用于任意Nakagami-m衰落参数m，当m=1时可恢复为瑞利衰落情况。
• 即使在不完美CSI条件下，NOMA的中断性能仍优于OMA，表明其对信道估计误差具有鲁棒性。
• 动态功率分配相比固定功率分配可实现更低的中断概率，尤其在低信噪比（SNR）区域表现更优。
• 完美与不完美CSI之间的性能差距随估计误差方差增大而扩大，但NOMA性能仍优于OMA。
• 蒙特卡洛仿真验证了理论中断概率表达式的准确性，并证实了分析推导的正确性。
• 当中继-用户链路的信道估计误差适中时，系统仍能实现可靠的通信。