[论文解读] Relay Selection for Cooperative NOMA

Zhiguo Ding, Huaiyu Dai+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 4, 2016

Advanced Wireless Communication Technologies被引用 29

一句话总结

本文提出了一种协作非正交多址接入（NOMA）系统的两阶段中继选择（RS）策略，确保低速率用户可靠传输的同时最大化高速率用户的速率。该方法实现了最小中断概率和最大分集增益，在非对称信道条件下显著优于传统最大-最小RS策略。

ABSTRACT

This letter studies the impact of relay selection (RS) on the performance of cooperative non-orthogonal multiple access (NOMA). In particular, a two-stage RS strategy is proposed, and analytical results are developed to demonstrate that this two-stage strategy can achieve the minimal outage probability among all possible RS schemes, and realize the maximal diversity gain. The provided simulation results show that cooperative NOMA with this two-stage RS scheme outperforms that with the conventional max-min approach, and can also yield a significant performance gain over orthogonal multiple access.

研究动机与目标

• 解决传统中继选择在用户QoS需求非对称的协作NOMA系统中性能受限的问题。
• 设计一种中继选择策略，确保低速率用户可靠传输的同时最大化高速率用户的数据速率。
• 分析表征所提出的两阶段RS方案的中断概率和分集增益。
• 从中断概率和分集增益的角度，对比两阶段RS与传统最大-最小RS策略的性能。

提出的方法

• 提出两阶段中继选择策略：首先，选择能够支持低速率用户（用户1）目标速率的中继；其次，在这些中继中，选择能使高速率用户（用户2）达到最大可译码速率的中继。
• 利用独立同分布的指数随机变量的统计顺序，推导出两阶段RS方案的中断概率的闭式表达式。
• 分别使用用户1和用户2的信干噪比（SINR）和信噪比（SNR）表达式，建模用户端的解码条件。
• 将最大-最小中继选择准则作为基准，定义为选择能使最小信道增益（|h_n|², |g_n,1|², |g_n,2|²）最大的中继。
• 采用顺序统计和指数分布性质等分析工具，推导中断概率和分集增益。
• 通过仿真验证分析结果，将两阶段RS与最大-最小RS及正交多址接入（OMA）进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 在协作NOMA系统中，两阶段中继选择策略是否能实现比传统最大-最小中继选择更低的中断概率？
• RQ2 在用户QoS需求非对称的协作NOMA中，两阶段RS策略是否能实现最大分集增益？
• RQ3 在何种条件下，最大-最小中继选择与两阶段RS策略性能相当？
• RQ4 随着中继数量和信道非对称性的变化，两种中继选择策略之间的性能差距如何变化？
• RQ5 在中断性能方面，采用所提RS策略的协作NOMA相较于正交多址接入（OMA）的性能提升程度如何？

主要发现

• 两阶段中继选择策略在所有可能的中继选择方案中实现了最小中断概率，因此是中断最优的。
• 两阶段RS实现了最大分集增益，该结论由推导出的闭式中断概率表达式所证实。
• 一般情况下，最大-最小中继选择准则的中断概率高于两阶段方案，仅在对称情况（ξ₁ = ξ₂）下两者相同。
• 当ξ₁ = ξ₂时，两阶段RS与最大-最小RS实现相同的中断性能，因为两者均退化为选择最小信道增益的相同准则。
• 仿真结果证实，两阶段RS在非对称系统中显著优于最大-最小RS，且随着中继数量增加，性能差距进一步扩大。
• 采用两阶段RS的协作NOMA在中断性能方面相较于正交多址接入（OMA）有显著增益，尤其在高信噪比（SNR）区域。