[論文レビュー] Capacity Enhanced Cooperative D2D Systems over Rayleigh Fading Channels with NOMA

Wei Duan, Jinjuan Ju+5 more|arXiv (Cornell University)|Oct 16, 2018

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 31被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、レイリー fadedチャネル上での非直交多重アクセス（NOMA）を用いた協調型デバイス・ツー・デバイス（D2D）ネットワークを提案し、スペクトル効率を向上させるために2つの復調戦略—シングル信号復調と最大比合成（MRC）復調—を導入する。MRC方式は、信号を共同で復調することで、従来のNOMAおよびシングル復調と比較して顕著に優れた性能を示し、特にチャネル状態が不良な条件下でも、より高い恒常的和集合レートと低いアウトージ確率を達成する。

ABSTRACT

This paper considers the cooperative device-to-device (D2D) systems with non-orthogonal multiple access (NOMA). We assume that the base station (BS) can communicate simultaneously with all users to satisfy the full information transmission. In order to characterize the impact of the weak channel and different decoding schemes, two kinds of decoding strategies are proposed: \emph{single signal decoding scheme} and \emph{MRC decoding scheme}, respectively. For the \emph{single signal decoding scheme}, the users immediately decode the received signals after receptions from the BS. Meanwhile, for the \emph{MRC decoding scheme}, instead of decoding, the users will keep the receptions in reserve until the corresponding phase comes and the users jointly decode the received signals by employing maximum ratio combining (MRC). Considering Rayleigh fading channels, the ergodic sum-rate (SR), outage probability and outage capacity of the proposed D2D-NOMA system are analyzed. Moreover, approximate expressions for the ergodic SR are also provided with a negligible performance loss. Numerical results demonstrate that the ergodic SR and outage probability of the proposed D2D-NOMA scheme overwhelm that of the conventional NOMA schemes. Furthermore, it is also revealed that the system performance including the ergodic SR and outage probability are limited by the poor channel condition for both the \emph{single signal decoding scheme} and conventional NOMA schemes.

研究の動機と目的

• 協調リレーリングを統合することで、D2Dネットワークにおけるスペクトル効率を向上させること。
• 従来のNOMAおよびシングル復調方式で一般的に見られる、劣悪なチャネル状態による性能劣化を解消すること。
• システム性能の向上を目的として、2つの復調戦略—シングル信号復調とMRC復調—の提案および評価を行うこと。
• レイリー faded環境下における恒常的和集合レート、アウトージ確率、アウトージ容量の分析を行うこと。
• 性能損失を最小限に抑えた恒常的和集合レートの近似閉形式式を導出すること。

提案手法

• 基地局（BS）がパワー領域多重を用いて、すべてのユーザーを同時に送信する協調型D2D-NOMAシステムを設計する。
• ユーザーが受信と同時に信号を即座に復調するシングル信号復調方式を導入する。
• ユーザーが信号をバッファリングし、送信フェーズ終了時に最大比合成（MRC）を用いて共同で復調するMRC復調方式を提案する。
• レイリー faded環境下でのシステム性能を分析し、恒常的和集合レート、アウトージ確率、アウトージ容量の漸近的閉形式式を導出する。
• 固定されたパワー割当係数（例：α_SU1=5, α_SU2=1, α_SU3=1, α_RU2=10, α_RU3=10）を用い、SNRレベル（15–30 dB）の範囲で性能を評価する。
• 数値シミュレーションを用いて、MRC復調、シングル復調、従来のNOMAの3者を、恒常的和集合レートおよびアウトージ指標の観点から比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 D2D-NOMAシステムにおいて、MRC復調はシングル信号復調と比較して、恒常的和集合レートおよびアウトージ性能をどのように向上させるか？
• RQ2 劣悪なチャネル状態は、従来のNOMAおよびシングル復調方式におけるシステム性能にどのような影響を及ぼすか？
• RQ3 パワー割当係数（a₁, b₁）は、提案された復調方式における恒常的和集合レートにどのように影響を与えるか？
• RQ4 MRC復調方式は、弱いチャネルによって引き起こされる性能制限をどの程度軽減できるか？
• RQ5 実用的導入に耐える性能損失を最小限に抑えた恒常的和集合レートの近似式を導出できるか？

主な発見

• MRC復調方式は、高SNR領域において、シングル信号復調方式および従来のNOMAと比較して顕著に高い恒常的和集合レートを達成する。
• 特にチャネル状態が不良な条件下では、MRC方式におけるアウトージ確率が、従来のNOMAおよびシングル復調と比較して顕著に低い。
• 恒常的和集合レートを最大にする最適なパワー割当係数a₁は、SNRが上昇するにつれて1に近づくが、b₁は約0.5に収束する。
• シングル復調および従来のNOMAでは、弱いチャネル状態が性能を制限するが、MRC方式は信号の共同合成によりこの制限を克服する。
• 性能損失を最小限に抑えた恒常的和集合レートの近似閉形式式が導出され、実用的導入が可能になる。
• 数値結果により、MRC復調方式が評価された全SNR範囲（15–30 dB）において、既存の手法を上回ることが確認され、耐障害性およびスケーラビリティが示された。