[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种在瑞利衰落信道下采用非正交多址接入（NOMA）的协作式设备到设备（D2D）网络，引入两种解码策略——单信号解码和最大比合并（MRC）解码——以提升频谱效率。MRC方案显著优于传统NOMA和单解码方案，通过联合解码信号，实现了更高的遍历和速率与更低的中断概率，尤其在较差的信道条件下表现更优。

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.

研究动机与目标

• 通过将NOMA与协作中继结合，提升D2D网络的频谱效率。
• 解决传统NOMA和单解码方案在较差信道条件下性能下降的问题。
• 提出并评估两种解码策略——单信号解码和MRC解码——以提升系统性能。
• 在瑞利衰落信道下分析遍历和速率、中断概率和中断容量。
• 推导出遍历和速率的近似闭式表达式，性能损失极小。

提出的方法

• 设计了一种协作式D2D-NOMA系统，其中基站（BS）使用功率域复用同时向所有用户传输信号。
• 引入一种单信号解码方案，用户在接收信号后立即进行解码。
• 提出一种MRC解码方案，用户在传输阶段结束前缓冲信号，并最终使用最大比合并（MRC）进行联合解码。
• 在瑞利衰落信道下分析系统性能，推导出遍历和速率、中断概率和中断容量的渐近闭式表达式。
• 采用固定功率分配因子（例如，α_SU1=5, α_SU2=1, α_SU3=1, α_RU2=10, α_RU3=10），并在不同信噪比（15–30 dB）下评估性能。
• 通过数值仿真比较MRC解码、单解码和传统NOMA在遍历和速率与中断性能指标上的表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 在D2D-NOMA系统中，MRC解码相较于单信号解码在遍历和速率和中断性能方面有何提升？
• RQ2 较差的信道条件对传统NOMA和单解码方案的系统性能有何影响？
• RQ3 功率分配因子（a₁, b₁）如何影响所提出的解码方案中的遍历和速率？
• RQ4 MRC解码方案在多大程度上缓解了弱信道导致的性能限制？
• RQ5 能否推导出遍历和速率的近似表达式，且性能损失可忽略，适用于实际部署？

主要发现

• MRC解码方案在高信噪比下显著优于单信号解码方案和传统NOMA，实现了更高的遍历和速率。
• 与传统NOMA和单解码相比，MRC方案的中断概率显著更低，尤其在较差的信道条件下表现更优。
• 为获得最大遍历和速率，最优功率分配因子a₁随信噪比增加趋近于1，而b₁收敛至约0.5。
• 单解码和传统NOMA的系统性能受限于弱信道条件，而MRC方案通过联合信号合并克服了这一限制。
• 推导出的遍历和速率近似闭式表达式性能损失极小，适用于实际部署。
• 数值结果证实，MRC解码方案在所有评估的信噪比水平（15–30 dB）下均优于现有方案，表现出良好的鲁棒性与可扩展性。