NOMA Superiority Condition for Rayleigh Fading Channels

Abstract

Non-orthogonal Multiple Access (NOMA) is a new generation multiple access technique in which multiple users simultaneously share the same frequency band. In the implementation of NOMA, the choice of user pairs that will use the same frequency is a determining factor for the NOMA superiority condition due to Successive Interference Cancellation (SIC) mechanism on the receiver. However, performance of NOMA depends on SIC mechanism which relies on the order of the user in a NOMA cluster. In the literature, it has been shown that utilizing distance based order of the users for user pairing outperforms over the random pairing and an analytical boundary distance is derived for NOMA superiority condition for a path loss based channel model. In this study, the path loss based NOMA superiority condition respect to the Orthogonal Multiple Access (OMA) was investigated in terms of the spectral efficiencies for Rayleigh channel model in a cellular uplink and the results were compared with an analytical boundary value derived for a path loss based channel model in the literature. In addition, the effect of power ratio of the users on the NOMA superiority condition is investigated and accuracy of the derived analytical model is validated with numerical results for both channel models. The results reveal that the NOMA superiority condition based on distance changes depend on the assumed channel model, but assuming the channel as Rayleigh fading or path loss based channel does not make a significant difference. In addition, it is observed that the accuracy of the derived NOMA superiority condition changes with the power ratios for both channel models and the gap between numerical and analytical results is larger in Rayleigh channel compared to path loss based channel model.

Dikgen olmayan çoklu erişim (NOMA) birden fazla kullanıcının aynı frekans bandını aynı anda kullanması ilkesine dayanan yeni nesil çoklu erişim tekniğidir. NOMA uygulamasında alıcı üzerindeki Ardışık Girişim İptali (SIC) mekanizması nedeniyle aynı frekansı kullanacak kullanıcı çiftlerinin seçimi NOMA üstünlük durumu için belirleyici bir faktördür. Ancak NOMA'nın performansı, bir NOMA kümesindeki kullanıcının sırasına dayanan SIC mekanizmasına bağlıdır. Literatürde, kullanıcı eşleştirmesi için kullanıcıların mesafe tabanlı sıralamasının kullanılmasının rastgele eşleştirmeden daha iyi performans gösterdiği ve yol kaybı tabanlı bir kanal modeli varsayımıyla NOMA üstünlük koşulu için analitik bir sınır mesafesinin türetildiği gösterilmiştir. Bu çalışmada, NOMA’nın dikgen çoklu erişime (OMA) göre üstünlük koşulu hücresel yukarı yönlü bağlantıdaki Rayleigh kanal modeli için spektrum verimliliği açısından incelenmiş ve yol kaybı temelli kanal modeliyle karşılaştırılmıştır. Bu çalışmada, Dikey Çoklu Erişim'e (OMA) göre yol kaybına dayalı NOMA üstünlük koşulu, bir hücresel yukarı bağlantıda Rayleigh kanal modeli için spektral verimlilikler açısından araştırılmış ve sonuçlar, literatürdeki yol kaybı tabanlı kanal modeli için türetilen bir analitik sınır değeri ile karşılaştırılmıştır. Ayrıca, kullanıcıların güç oranının NOMA üstünlük koşuluna etkisi araştırılmış ve türetilen analitik modelin doğruluğu, her iki kanal modeli için sayısal sonuçlarla doğrulanmıştır. Sonuçlar, mesafe değişikliklerine dayalı NOMA üstünlük koşulunun varsayılan kanal modeline bağlı olduğunu, ancak kanalı Rayleigh sönümleme veya yol kaybı tabanlı kanal olarak kabul etmenin önemli bir fark yaratmadığını ortaya koymaktadır. Ayrıca, her iki kanal modeli için de elde edilen NOMA üstünlük koşulunun doğruluğunun güç oranları ile değiştiği ve Rayleigh kanalında sayısal ve analitik sonuçlar arasındaki farkın yol kaybı tabanlı kanal modeline göre daha büyük olduğu görülmüştür.