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基于NOMA的双向中继D2D通信容量扩展

电子技术应用 11期

顾蔡晨1，王斌1，2，黄纯华1，王文鼐1，2

（1.南京邮电大学通信与信息工程学院，江苏南京 210003；2.南京邮电大学宽带无线通信与传感网技术教育部重点实验室，江苏南京 210003）

摘要： 对D2D（Device to Device）通信系统的容量扩展问题进行了研究，提出了一种双向中继辅助的D2D通信系统，该系统采用非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）。首先分析了各信号的信干噪比（SINR），接着详细计算了每个信号的累积分布函数（Cumulative Distribution Function，CDF）和概率密度函数（Probability Density Function，PDF），并据此推导出了系统遍历总容量的解形式。除此之外，还分析了OMA系统的遍历总容量，与NOMA系统进行对比。仿真结果表明，NOMA系统的可达速率优于OMA系统，双向中继能够比传统的单向中继获得更高的容量。

關鍵詞： D2D NOMA 双向中继遍历总容量

中圖分類號：TN929.5
文獻標志碼：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234062
引用格式：顧蔡晨，王斌，黃純華，等. 基于NOMA的雙向中繼D2D通信容量擴展[J]. 電子技術應用，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】

隨著時代的發(fā)展，全球移動寬帶用戶數(shù)量激增，移動數(shù)據(jù)需求呈爆炸式增長，這對網絡能耗和成本造成了巨大的壓力。為了應對上述挑戰(zhàn)，已經有不少擴展通信容量、提升系統(tǒng)吞吐量、節(jié)省網絡能耗的技術被提出，其中，D2D通信作為5G的關鍵技術之一，受到了廣泛的關注[1]。

NOMA也是非常有潛力的5G技術，目前有著大量的研究[2]。文獻[3]提出一種基于匹配度的用戶配對方法進行最佳功率分配，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[4]提出了一種在基于NOMA技術的D2D通信中聯(lián)合子信道與功率分配的方案。文獻[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[6]設計了一個子載波分配算法，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化為一個凸優(yōu)化問題，求解出最佳的功率分配。

上述文獻均未考慮中繼技術，將中繼技術運用于蜂窩系統(tǒng)中，可以將一個質量較差的鏈路替換為兩個或多個質量較好的鏈路，以獲得更高的鏈路容量以及更好的覆蓋。文獻[7]提出了一個中繼輔助系統(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[8]提出了一個聯(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和中繼結合，可顯著提高D2D系統(tǒng)的性能。文獻[9]研究了一個聯(lián)合NOMA和D2D的協(xié)作中繼系統(tǒng)，通過研究系統(tǒng)的遍歷總容量來分析系統(tǒng)的性能。文獻[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)獲得更大的容量擴展。文獻[11]提出了一種基于NOMA的兩跳D2D通信復用蜂窩用戶方案，分析了系統(tǒng)的遍歷總容量，對比了采用OMA的傳統(tǒng)兩跳D2D通信系統(tǒng)的遍歷總容量。

上述文獻所采用的中繼都是單向中繼，本文的貢獻在于提出了一個基于NOMA的雙向中繼D2D通信系統(tǒng)，通過對各信號SINR的分析，計算出系統(tǒng)的遍歷總容量。仿真結果對比表明，本文所采用的雙向中繼模型在系統(tǒng)遍歷總容量上相較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，黃純華1，王文鼐1，2

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，江蘇南京 210003；2.南京郵電大學寬帶無線通信與傳感網技術教育部重點實驗室，江蘇南京 210003）

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