[논문 리뷰] Capacity Enhanced Cooperative D2D Systems over Rayleigh Fading Channels with NOMA

Wei Duan, Jinjuan Ju외 5명|arXiv (Cornell University)|2018. 10. 16.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 31인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 레이일라이 페이딩 채널에서 비직교 다중접근(NOMA)를 사용하는 협동형 디바이스투디바이스(D2D) 네트워크를 제안하며, 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 단일 신호 복원과 최대 비율 복합(MRC) 복원이라는 두 가지 복원 전략을 도입한다. MRC 방식은 복합적으로 신호를 복원함으로써 기존 NOMA 및 단일 복원 방식보다 뚜렷이 뛰어난 성능을 보이며, 특히 열악한 채널 조건에서 더 높은 에르고딕 합산율과 더 낮은 아웃지 전송 확률을 달성한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 협동 릴레이를 통합함으로써 D2D 네트워크의 스펙트럼 효율성을 향상시키기 위해 NOMA를 활용한다.
• 기존 NOMA 및 단일 복원 방식에서 흔히 발생하는 열악한 채널 조건에서의 성능 저하 문제를 해결한다.
• 향상된 시스템 성능를 위해 단일 신호 복원과 MRC 복원이라는 두 가지 복원 전략을 제안하고 평가한다.
• 레이일라이 페이딩 조건 하에서 에르고딕 합산율, 아웃지 전송 확률 및 아웃지 용량을 분석한다.
• 최소한의 성능 손실을 동반하면서도 근사적인 폐쇄형 표현식을 유도함으로써 실용적 구현을 가능하게 한다.

제안 방법

• 기지국(BS)이 전력 도메인 다중접속을 사용하여 모든 사용자에게 동시에 신호를 전송하는 협동형 D2D-NOMA 시스템을 설계한다.
• 사용자가 수신 즉시 신호를 복원하는 단일 신호 복원 방식을 도입한다.
• 사용자가 신호를 버퍼링하고 전송 단계 종료 시 최대 비율 복합(MRC)을 사용하여 공동 복원하는 MRC 복원 방식을 제안한다.
• 레이일라이 페이딩 조건 하에서 시스템 성능을 분석하고, 에르고딕 합산율, 아웃지 전송 확률 및 아웃지 용량에 대한 점점 가까운 폐쇄형 표현식을 유도한다.
• 고정된 전력 할당 계수(예: α_SU1=5, α_SU2=1, α_SU3=1, α_RU2=10, α_RU3=10)를 사용하고, 신호 대 잡음비(SNR) 수준(15–30 dB)에서 성능을 평가한다.
• 수치 시뮬레이션을 통해 MRC 복원, 단일 복원 및 기존 NOMA의 에르고딕 합산율 및 아웃지 지표를 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 D2D-NOMA 시스템에서 MRC 복원 방식은 단일 신호 복원 방식에 비해 에르고딕 합산율과 아웃지 성능을 어떻게 향상시키는가?
• RQ2 기존 NOMA 및 단일 복원 방식에서 열악한 채널 조건이 시스템 성능에 미치는 영향은 어떠한가?
• RQ3 전력 할당 계수(a₁, b₁)는 제안된 복원 방식에서 에르고딕 합산율에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 MRC 복원 방식은 약한 채널 조건으로 인한 성능 제약을 어느 정도 완화하는가?
• RQ5 실용적 구현을 위해 성능 손실가능성이 극히 작은 근사 표현식을 에르고딕 합산율에 대해 유도할 수 있는가?

주요 결과

• MRC 복원 방식은 고신호 대 잡음비(SNR) 조건에서 단일 신호 복원 방식 및 기존 NOMA보다 뚜렷이 더 높은 에르고딕 합산율을 달성한다.
• 특히 열악한 채널 조건에서 MRC 방식의 아웃지 전송 확률은 기존 NOMA 및 단일 복원 방식보다 상당히 낮다.
• 최대 에르고딕 합산율을 달성하기 위한 최적의 전력 할당 계수 a₁는 SNR가 증가함에 따라 1에 수렴하고, b₁는 약 0.5로 수렴한다.
• 단일 복원 및 기존 NOMA의 시스템 성능는 약한 채널 조건으로 인해 제한되지만, MRC 방식은 공동 신호 복합을 통해 이러한 제약을 극복한다.
• 에르고딕 합산율에 대한 근사적인 폐쇄형 표현식이 극히 작은 성능 손실을 동반하면서 유도되었으며, 이는 실용적 구현 가능성을 보장한다.
• 수치 결과는 MRC 복원 방식이 평가된 모든 SNR 수준(15–30 dB)에서 기존 방식을 초월함을 확인하며, 강건성과 확장성을 입증한다.