[论文解读] On the Performance of NOMA-based Cooperative Relaying with Receive Diversity

Vaibhav Kumar, Barry Cardiff+1 more|arXiv (Cornell University)|Feb 14, 2019

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 5被引用 5

一句话总结

本文提出了一种基于非正交多址接入（NOMA）的协作中继系统，采用选择合并（SC）和最大比合并（MRC）实现接收分集。该文推导了和速率、中断概率及分集增益的闭式表达式，证明该系统在高信噪比下可实现全分集增益，并在频谱效率方面优于传统的正交多址接入（OMA）。

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is widely recognized as a potential multiple access (MA) technology for efficient spectrum utilization in the fifth-generation (5G) wireless standard. In this paper, we present the achievable sum rate analysis of a cooperative relaying system (CRS) using NOMA with two different receive diversity schemes - selection combining (SC), where the antenna with highest instantaneous signal-to-noise ratio (SNR) is selected, and maximal-ratio combining (MRC). We also present the outage probability and diversity analysis for the CRS-NOMA system. Analytical results confirm that the CRS-NOMA system outperforms the CRS with conventional orthogonal multiple access (OMA) by achieving higher spectral efficiency at high transmit SNR and achieves a full diversity order.

研究动机与目标

• 分析瑞利衰落信道中采用多天线分集合并的NOMA协作中继系统（CRS-NOMA）的性能。
• 从频谱效率与可靠性角度，对比CRS-NOMA与传统正交多址接入（OMA）协作中继系统。
• 推导在SC与MRC合并下可实现和速率、中断概率及分集阶数的闭式表达式。
• 从理论上证明CRS-NOMA在SC与MRC合并方案下可实现全分集阶数，从而提升衰落环境下的可靠性。
• 为5G及未来网络中采用协作分集的NOMA系统提供功率分配与系统设计的洞察。

提出的方法

• 建立一个半双工NOMA协作中继系统模型，包含单天线源节点、具有$N_r$个接收天线的中继节点，以及具有$N_d$个接收天线的目的地节点。
• 采用时频域功率域复用，使用功率分配系数$a_1 > a_2$，$a_1 + a_2 = 1$，实现源节点同时发送两个符号。
• 在中继节点采用连续干扰消除（SIC）技术，优先解调$s_1$，随后解调$s_2$，并在第二个时隙重传$s_2$。
• 在中继与目的地节点采用选择合并（SC）与最大比合并（MRC）技术，以利用多天线带来的空间分集增益。
• 基于瑞利衰落信道中顺序统计的原理，推导最强路径瞬时信噪比（SNR）的累积分布函数（CDF）。
• 利用积分恒等式与特殊函数（如指数积分、不完全伽马函数）推导平均和速率与中断概率的闭式表达式。

实验结果

研究问题

• RQ1 接收分集（SC与MRC）在NOMA协作中继系统中如何影响可实现和速率？
• RQ2 采用多天线合并的CRS-NOMA系统与传统OMA中继系统的中断概率性能如何比较？
• RQ3 在SC与MRC合并方案下，CRS-NOMA是否可实现全分集阶数？
• RQ4 中继与目的地节点的接收天线数量如何影响频谱效率与可靠性？
• RQ5 在瑞利衰落信道中，采用多天线分集时，能否推导出和速率与中断概率的闭式表达式？

主要发现

• 在高信噪比下，CRS-NOMA系统的和速率高于传统OMA协作中继系统，表明其具有更优的频谱效率。
• 在SC与MRC合并方案下，系统均实现了$N_r + N_d$的全分集阶数，证实了多天线带来的全分集增益。
• 利用指数积分与不完全伽马函数，分别推导出SC与MRC合并下平均可实现和速率的闭式表达式。
• 中断概率被理论推导，并显示随着中继与目的地接收天线数的增加而降低。
• 在高信噪比下，CRS-NOMA相较于OMA的性能增益最为显著，此时NOMA的复用增益起主导作用。
• 所推导的表达式通过数值结果验证，与仿真结果高度一致，进一步证实了NOMA在频谱效率与分集增益方面的优越性。