[论文解读] Cooperative HARQ Assisted NOMA Scheme in Large-scale D2D Networks

Zheng Shi, Shaodan Ma+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 40被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于随机几何模型的协作HARQ增强型非正交多址（NOMA）方案，用于大规模设备到设备（D2D）网络，以建模空间与时间上的干扰相关性。通过在中断约束下联合优化功率分配与速率选择，该方案相较于HARQ增强型正交多址（OMA）实现了32%的中断概率降低和47%的吞吐量增益，证明了干扰感知设计在NOMA性能中的关键作用。

ABSTRACT

This paper develops an interference aware design for cooperative hybrid automatic repeat request (HARQ) assisted non-orthogonal multiple access (NOMA) scheme for large-scale device-to-device (D2D) networks. Specifically, interference aware rate selection and power allocation are considered to maximize long term average throughput (LTAT) and area spectral efficiency (ASE). The design framework is based on stochastic geometry that jointly accounts for the spatial interference correlation at the NOMA receivers as well as the temporal interference correlation across HARQ transmissions. It is found that ignoring the effect of the aggregate interference, or overlooking the spatial and temporal correlation in interference, highly overestimates the NOMA performance and produces misleading design insights. An interference oblivious selection for the power and/or transmission rates leads to violating the network outage constraints. To this end, the results demonstrate the effectiveness of NOMA transmission and manifest the importance of the cooperative HARQ to combat the negative effect of the network aggregate interference. For instance, comparing to the non-cooperative HARQ assisted NOMA, the proposed scheme can yield an outage probability reduction by $32$%. Furthermore, an interference aware optimal design that maximizes the LTAT given outage constraints leads to $47$% throughput improvement over HARQ-assisted orthogonal multiple access (OMA) scheme.

研究动机与目标

• 解决因忽略聚合干扰而导致NOMA系统性能高估的问题。
• 对HARQ增强型NOMA在D2D网络中的空间与时间干扰相关性进行建模与分析。
• 提出一种干扰感知的优化框架，用于功率与速率分配，以最大化长期平均吞吐量（LTAT）与频谱效率（ASE）。
• 量化NOMA相较于OMA的增益，以及协作与HARQ在大规模D2D网络中的影响。

提出的方法

• 将D2D设备建模为泊松点过程（PPP），以捕捉其随机的空间部署与干扰特性。
• 利用随机几何方法推导出精确的中断概率与LTAT表达式，同时考虑NOMA用户之间的空间干扰相关性以及HARQ重传过程中的时间相关性。
• 推导出近似的LTAT表达式，并通过仿真验证其有效性，以实现高效优化。
• 提出一种干扰感知的联合速率与功率优化框架，以在满足各用户中断约束条件下最大化LTAT。
• 应用分解理论解耦优化问题，并推导出最优功率分配与传输速率。
• 通过分析与仿真结果验证所提方案相较于非协作HARQ-NOMA与HARQ增强型OMA的优越性。

实验结果

研究问题

• RQ1 在大规模D2D网络中，忽略空间与时间干扰相关性将如何影响NOMA性能？
• RQ2 协作HARQ对基于NOMA的D2D通信中中断概率与吞吐量有何影响？
• RQ3 相较于传统方案，干扰感知的功率与速率分配如何提升LTAT与ASE？
• RQ4 在HARQ增强型NOMA的D2D网络中，满足中断约束下的最优功率分配策略是什么？
• RQ5 当应用HARQ与协作时，NOMA与OMA在频谱效率与可靠性方面有何对比？

主要发现

• 忽略聚合干扰及其相关性会导致NOMA性能被显著高估，并产生误导性的设计洞见。
• 所提出的协作HARQ增强型NOMA方案相较于非协作HARQ-NOMA，将中断概率降低了32%。
• 在相同中断约束下，干扰感知的最优设计相较于HARQ增强型OMA实现了47%的吞吐量增益。
• 在中断约束下的最优功率分配策略导致强用户完全被激活（β² = 1），而次用户速率降为零，表明应优先将功率分配给更强用户。
• 推导出的近似LTAT表达式具有高精度，可有效用于系统参数的优化。
• 空间与时间干扰相关性必须准确建模，否则将导致不可靠的性能预测。