《電子技術(shù)應(yīng)用》
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基于NOMA的雙向中繼D2D通信容量擴(kuò)展
電子技術(shù)應(yīng)用 11期
顧蔡晨1，王斌1，2，黃純?nèi)A1，王文鼐1，2
（1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）
摘要： 對(duì)D2D（Device to Device）通信系統(tǒng)的容量擴(kuò)展問題進(jìn)行了研究，提出了一種雙向中繼輔助的D2D通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。首先分析了各信號(hào)的信干噪比（SINR），接著詳細(xì)計(jì)算了每個(gè)信號(hào)的累積分布函數(shù)（Cumulative Distribution Function，CDF）和概率密度函數(shù)（Probability Density Function，PDF），并據(jù)此推導(dǎo)出了系統(tǒng)遍歷總?cè)萘康慕庑问?。除此之外，還分析了OMA系統(tǒng)的遍歷總?cè)萘?，與NOMA系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比。仿真結(jié)果表明，NOMA系統(tǒng)的可達(dá)速率優(yōu)于OMA系統(tǒng)，雙向中繼能夠比傳統(tǒng)的單向中繼獲得更高的容量。
中圖分類號(hào)：TN929.5
文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234062
引用格式： 顧蔡晨，王斌，黃純?nèi)A，等. 基于NOMA的雙向中繼D2D通信容量擴(kuò)展[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2023，49(11)：83-87.
Capacity scaling for two-way relay-assisted D2D communication based on NOMA
Gu Caichen1，Wang Bin1，2，Huang Chunhua1，Wang Wennai1，2
(1.College of Telecommunications＆ Information Engineering，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China；2.Key Lab of Broadband Wireless Communication and Sensor Network Technology，Ministry of Education，Nanjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing 210003，China)
Abstract： A two-way relay-assisted device to device (D2D) communication system using non-orthogonal multiple access (NOMA) is proposed to solve the capacity scaling for D2D communication system. Firstly, the signal to interference noise ratio (SINR) of each signal is analyzed, and according to the cumulative distribution function (CDF) and probability density function (PDF) of each signal, the solution form of the ergodic sum capacity of the system is obtained. In addition, the ergodic sum capacity of orthogonal multiple access (OMA) system is analyzed and compared with NOMA system. Simulation results show that compared with OMA system, the achievable capacity of the system can be improved when NOMA is used, and the two-way relay scheme can make the system obtain higher capacity than the traditional one-way relay scheme.
Key words : device to device （D2D）；non-orthogonal multiple access （NOMA）；two-way relay；ergodic sum capacity

【引言】

隨著時(shí)代的發(fā)展，全球移動(dòng)寬帶用戶數(shù)量激增，移動(dòng)數(shù)據(jù)需求呈爆炸式增長，這對(duì)網(wǎng)絡(luò)能耗和成本造成了巨大的壓力。為了應(yīng)對(duì)上述挑戰(zhàn)，已經(jīng)有不少擴(kuò)展通信容量、提升系統(tǒng)吞吐量、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)能耗的技術(shù)被提出，其中，D2D通信作為5G的關(guān)鍵技術(shù)之一，受到了廣泛的關(guān)注[1]。

NOMA也是非常有潛力的5G技術(shù)，目前有著大量的研究[2]。文獻(xiàn)[3]提出一種基于匹配度的用戶配對(duì)方法進(jìn)行最佳功率分配，提高了基于NOMA的下行多輸入多輸出(MIMO)通信系統(tǒng)的容納量。文獻(xiàn)[4]提出了一種在基于NOMA技術(shù)的D2D通信中聯(lián)合子信道與功率分配的方案。文獻(xiàn)[5]中使用順序凸規(guī)劃獲得了基于NOMA的D2D組的最優(yōu)功率分配。文獻(xiàn)[6]設(shè)計(jì)了一個(gè)子載波分配算法，為D2D用戶分配上行鏈路和下行鏈路資源，然后把功率分配問題轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸優(yōu)化問題，求解出最佳的功率分配。

上述文獻(xiàn)均未考慮中繼技術(shù)，將中繼技術(shù)運(yùn)用于蜂窩系統(tǒng)中，可以將一個(gè)質(zhì)量較差的鏈路替換為兩個(gè)或多個(gè)質(zhì)量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量以及更好的覆蓋。文獻(xiàn)[7]提出了一個(gè)中繼輔助系統(tǒng)，在滿足蜂窩鏈路的最低吞吐量要求下，提升了D2D鏈路的能量效率。文獻(xiàn)[8]提出了一個(gè)聯(lián)合模式選擇、中繼選擇和資源分配優(yōu)化的中繼輔助D2D通信系統(tǒng)，提升了系統(tǒng)吞吐量。

將NOMA和中繼結(jié)合，可顯著提高D2D系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[9]研究了一個(gè)聯(lián)合NOMA和D2D的協(xié)作中繼系統(tǒng)，通過研究系統(tǒng)的遍歷總?cè)萘?/a>來分析系統(tǒng)的性能。文獻(xiàn)[10]提出一種基于信噪比（SNR）的功率分配策略，使NOMA輔助的協(xié)作中繼系統(tǒng)獲得更大的容量擴(kuò)展。文獻(xiàn)[11]提出了一種基于NOMA的兩跳D2D通信復(fù)用蜂窩用戶方案，分析了系統(tǒng)的遍歷總?cè)萘?，?duì)比了采用OMA的傳統(tǒng)兩跳D2D通信系統(tǒng)的遍歷總?cè)萘俊?/p>

上述文獻(xiàn)所采用的中繼都是單向中繼，本文的貢獻(xiàn)在于提出了一個(gè)基于NOMA的雙向中繼D2D通信系統(tǒng)，通過對(duì)各信號(hào)SINR的分析，計(jì)算出系統(tǒng)的遍歷總?cè)萘?。仿真結(jié)果對(duì)比表明，本文所采用的雙向中繼模型在系統(tǒng)遍歷總?cè)萘可舷噍^于單向中繼模型有顯著提升，并且采用NOMA比采用OMA性能更優(yōu)越。


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【作者信息】

顧蔡晨1，王斌1，2，黃純?nèi)A1，王文鼐1，2

（1.南京郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學(xué) 寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，江蘇 南京 210003）




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