[论文解读] Performance Analysis of a Hybrid Downlink-Uplink Cooperative NOMA Scheme

Zhiqiang Wei, Linglong Dai+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 2, 2017

Advanced Wireless Communication Technologies参考文献 22被引用 5

一句话总结

本文提出了一种混合下行链路-上行链路协作非正交多址接入（HDU-CNOMA）方案，可在协作阶段实现同时的协作中继与无干扰的上行链路传输，从而在仅带来弱用户可靠性轻微损失的情况下，实现比传统协作NOMA和非协作NOMA更高的频谱效率。

ABSTRACT

This paper proposes a novel hybrid downlinkuplink cooperative NOMA (HDU-CNOMA) scheme to achieve a better tradeoff between spectral efficiency and signal reception reliability than the conventional cooperative NOMA schemes. In particular, the proposed scheme enables the strong user to perform a cooperative transmission and an interference-free uplink transmission simultaneously during the cooperative phase, at the expense of a slightly decrease in signal reception reliability at the weak user. We analyze the outage probability, diversity order, and outage throughput of the proposed scheme. Simulation results not only confirm the accuracy of the developed analytical results, but also unveil the spectral efficiency gains achieved by the proposed scheme over a baseline cooperative NOMA scheme and a non-cooperative NOMA scheme.

研究动机与目标

• 解决传统协作NOMA（CNOMA）方案中的频谱效率-可靠性权衡问题。
• 克服CNOMA在协作阶段因冗余下行链路传输而导致的频谱效率损失。
• 利用强用户所获得的信道侧信息，在协作阶段实现额外的无干扰上行链路传输。
• 通过中断概率、分集增益和中断吞吐量分析评估系统性能。
• 证明所提方案在对弱用户可靠性影响极小的情况下，实现了更高的系统和速率。

提出的方法

• 提出一种混合下行链路-上行链路协作NOMA（HDU-CNOMA）方案，使强用户在同一个时隙内同时执行协作中继与上行链路传输。
• 利用基站处强用户已解码的消息（信道侧信息）在协作阶段对叠加信号进行干扰消除。
• 基于统计信道状态信息和瑞利衰落信道假设，推导出中断概率和分集增益的闭式表达式。
• 采用高斯-切比雪夫积分方法对中断概率进行近似，以实现数值评估。
• 采用时分双工（TDD）和半双工操作模式建模系统，假设信道为独立的准静态瑞利衰落信道。
• 从中断吞吐量和可靠性指标方面，将所提方案与传统CNOMA和非协作NOMA进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在协作阶段集成上行链路传输是否能在不显著降低弱用户可靠性的情况下提升NOMA系统的频谱效率？
• RQ2 与传统CNOMA相比，所提出的HDU-CNOMA方案对中断概率和分集增益有何影响？
• RQ3 功率分配与信道条件对所提方案中系统中断吞吐量有何影响？
• RQ4 利用强用户提供的信道侧信息，在协作阶段在多大程度上提升了上行链路传输的可靠性？
• RQ5 与非协作NOMA和传统CNOMA相比，所提方案是否实现了更优的频谱效率与信号接收可靠性之间的权衡？

主要发现

• 所提HDU-CNOMA方案的中断吞吐量高于传统CNOMA和非协作NOMA，尤其在中高信噪比（SNR）区域表现更优。
• 中断概率分析显示，理论推导结果与仿真结果高度一致，验证了所推导闭式表达式的准确性。
• 由于协作阶段存在功率分配，HDU-CNOMA中弱用户（UE2）的中断概率略高于传统CNOMA，但该损失被系统整体增益所抵消。
• 在上行链路中断概率高于1/3 bit/s/Hz时，HDU-CNOMA的误码平台低于CNOMA，原因在于上行链路传输拥有两个时隙（t2和t3）可用。
• 系统分集增益得以保持，表明所提方案在深衰落信道下仍具备良好的抗衰落能力。
• 频谱效率增益源于在协作阶段使强用户实现无干扰上行链路传输，而这一优势在传统CNOMA方案中未被利用。