[论文解读] On the Performance of NOMA-Based Cooperative Relaying Systems over Rician Fading Channels

Ruicheng Jiao, Linglong Dai+3 more|arXiv (Cornell University)|Jul 22, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 10被引用 4

一句话总结

本文提出了一种用于评估非正交多址接入（NOMA）协作中继系统在瑞利衰落信道中性能的分析框架。通过利用泰勒展开和贝塞尔函数性质推导出可达速率的精确表达式，并引入基于高斯-切比雪夫积分的近似方法，作者实现了准确且高效的速率计算，仿真结果验证了其与蒙特卡罗结果高度一致，并且在和速率性能方面优于传统中继系统。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is a promising technique for the fifth generation (5G) wireless communications. As users with good channel conditions can serve as relays to enhance the system performance by using successive interference cancellation (SIC), the integration of NOMA and cooperative relaying has recently attracted increasing interests. In this paper, a NOMA-based cooperative relaying system is studied, and an analytical framework is developed to evaluate its performance. Specifically, the performance of NOMA over Rician fading channels is studied, and the exact expression of the average achievable rate is derived. Moreover, we also propose an approximation method to calculate the achievable rate by using the Gauss-Chebyshev Integration. Numerical results confirm that our derived analytical results match well with the Monte Carlo simulations.

研究动机与目标

• 分析在包含视 Line-of-Sight（LOS）和非视 Line-of-Sight（NLOS）分量的瑞利衰落信道中基于NOMA的协作中继系统的性能，以更贴近实际5G场景。
• 推导此类系统中可达速率的精确解析表达式，克服由瑞利分布概率密度函数中贝塞尔函数引入的复杂性。
• 提出一种基于高斯-切比雪夫积分的高效近似方法，以简化可达速率的计算，同时保持高精度。
• 通过蒙特卡罗仿真验证分析结果，并与传统协作中继系统在和速率性能方面进行比较。

提出的方法

• 通过贝塞尔函数的泰勒展开和不完全伽马函数的性质，推导出在瑞利衰落信道中基于NOMA的解码与转发协作中继系统中弱用户和强用户可达速率的精确表达式。
• 通过利用级数展开和特殊函数恒等式，将涉及瑞利分布概率密度函数的复杂积分表达式转化为适合数值计算的形式。
• 提出一种基于高斯-切比雪夫积分的近似方法，以高效计算可达速率表达式的和级数，确保快速收敛和数值稳定性。
• 采用两阶段传输模型：第一时隙中，源端向中继和目的端广播叠加编码信号；第二时隙中，中继将解码后的信号转发给目的端。
• 在强用户处应用连续干扰消除（SIC）以解码两个信号，使其能够作为协作中继。
• 通过10^5次信道实现的蒙特卡罗仿真验证分析结果，并采用100阶的高斯-切比雪夫积分近似。

实验结果

研究问题

• RQ1 在包含LOS和NLOS分量的瑞利衰落信道中，基于NOMA的协作中继系统的可达速率行为如何？
• RQ2 在瑞利分布的贝塞尔函数引入数学复杂性的情况下，此类系统中平均可达速率的精确解析表达式是什么？
• RQ3 能否开发一种高效且精确的近似方法，以避免依赖计算量大的仿真来计算可达速率？
• RQ4 功率分配系数 $ a_2 $ 如何影响个体速率和和速率？是否存在一个最优值可使系统和速率最大化？
• RQ5 基于NOMA的协作中继系统与传统正交协作中继系统相比，其和速率性能如何？

主要发现

• 所推导出的基于NOMA的协作中继系统中弱用户和强用户可达速率的解析表达式与蒙特卡罗仿真结果高度一致，验证了分析模型的准确性。
• 基于高斯-切比雪夫积分的近似方法实现了可达速率的快速且精确的数值计算，其级数收敛迅速并保持高精度。
• NOMA系统和速率随功率分配系数 $ a_2 $ 的增加先上升后下降，表明存在一个最优 $ a_2 $ 可使和速率最大化。
• 基于NOMA的协作中继系统相比传统协作中继系统具有更高的和速率，因为其在两个时隙内支持两个用户通信，而传统系统每个时隙仅传输一个信号。
• 系统性能对信道条件敏感：中继到目的端和源到中继链路的平均信噪比增益（$ \Ω $）越高，整体速率越高，尤其在 $ a_2 $ 优化时更为明显。
• 结果证实，基于NOMA的中继在频谱效率方面优于传统中继，尤其在存在强LOS分量（由瑞利衰落建模）的场景中表现更优。