[论文解读] Backscatter Cooperation in NOMA Communications Systems

Wei-Yu Chen, Haiyang Ding+4 more|arXiv (Cornell University)|Jun 24, 2020

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 30被引用 5

一句话总结

本文提出了一种非正交多址接入（NOMA）下行链路系统的反向散射协作（BC-NOMA）方案，其中用户将接收到的信号部分分离并反向散射，以协助另一用户，从而无需专用中继时隙。该方案在不牺牲频谱效率的前提下，相比非协作、传统中继和增量中继NOMA，实现了更优的中断性能、更高的期望速率以及更优的分集-复用权衡（DMT）。

ABSTRACT

In this paper, a backscatter cooperation (BC) scheme is proposed for non-orthogonal multiple access (NOMA) downlink transmission. The key idea is to enable one user to split and then backscatter part of its received signals to improve the reception at another user. To evaluate the performance of the proposed BC-NOMA scheme, three benchmark schemes are introduced. They are the non-cooperation (NC)-NOMA scheme, the conventional relaying (CR)-NOMA scheme, and the incremental relaying (IR)-NOMA scheme. For all these schemes, the analytical expressions of the minimum total power to avoid information outage are derived, based on which their respective outage performance, expected rates, and diversity-multiplexing trade-off (DMT) are investigated. Analytical results show that the proposed BC-NOMA scheme strictly outperforms the NC-NOMA scheme in terms of all the three metrics. Furthermore, theoretical analyses are validated via Monte-Carlo simulations. It is shown that unlike the CR-NOMA scheme and the IR-NOMA scheme, the proposed BC-NOMA scheme can enhance the transmission reliability without impairing the transmission rate, which makes backscattering an appealing solution to cooperative NOMA downlinks.

研究动机与目标

• 为解决传统协作NOMA方案需要额外时隙进行中继而降低频谱效率的问题。
• 探索反向散射通信作为NOMA下行链路系统中一种低复杂度、高谱效率的协作机制。
• 从中断概率、期望速率和分集-复用权衡（DMT）角度，评估所提BC-NOMA方案与基准方案的性能表现。
• 通过理论推导与蒙特卡洛仿真，对BC-NOMA的性能增益进行理论分析与验证。

提出的方法

• 提出一种反向散射协作（BC-NOMA）方案，其中信道条件较好的用户将其接收到的信号进行分离并反向散射一部分，以协助信道条件较差的用户。
• 基于统计信道状态信息，推导出在BC-NOMA、NC-NOMA、CR-NOMA和IR-NOMA方案中避免信息中断所需的最小总功率的解析表达式。
• 在接收端采用连续干扰消除（SIC）技术，并将信道增益建模为指数分布的随机变量，以推导中断性能和分集-复用权衡（DMT）性能。
• 在高信噪比（SNR）条件下应用渐近分析，推导出BC-NOMA的分集阶数和DMT，结果表明其分集阶数按 $2 - 2r_A - 2r_B$ 变化。
• 通过蒙特卡洛仿真验证理论结果，确认BC-NOMA在所有性能指标上均表现更优。
• 将BC-NOMA与三种基准方案进行比较：非协作（NC-NOMA）、传统中继（CR-NOMA）和增量中继（IR-NOMA）

实验结果

研究问题

• RQ1 在不增加额外时隙资源的前提下，NOMA系统中的反向散射协作是否能实现优于非协作和传统中继方案的中断性能？
• RQ2 所提出的BC-NOMA方案在频谱效率和传输可靠性方面与CR-NOMA和IR-NOMA相比如何？
• RQ3 BC-NOMA方案的分集-复用权衡（DMT）性能如何？其随系统参数的变化规律是怎样的？
• RQ4 BC-NOMA方案是否在提升可靠性的同时保持高数据速率，而不同于传统协作方案为获得分集增益而牺牲速率？
• RQ5 在高信噪比（SNR）区域，中断概率和期望速率的理论推导结果与仿真结果的匹配程度如何？

主要发现

• 所提出的BC-NOMA方案在中断概率、期望速率和分集-复用权衡（DMT）方面严格优于NC-NOMA方案。
• BC-NOMA实现了 $2 - 2r_A - 2r_B$ 的分集阶数，高于NC-NOMA，且在相同条件下与CR-NOMA或IR-NOMA相当或更优。
• 与CR-NOMA和IR-NOMA不同，BC-NOMA在不降低传输速率的前提下提升了传输可靠性，从而保持了频谱效率。
• 蒙特卡洛仿真结果证实了理论分析的正确性，表明BC-NOMA在所有SNR范围内均保持高性能，且实现开销极低。
• 该方案避免了对专用中继时隙的需求，因此比传统协作NOMA方法更具频谱效率。
• 渐近分析结果表明，BC-NOMA的中断概率按 $1/P_{ ext{p}}^{2-2r_A-2r_B}$ 衰减，表明其具有显著的分集增益。