基于NOMA的双向中继D2D通信容量扩展-AET-电子技术应用

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。

关键词： D2D NOMA 双向中继遍历总容量

中图分类号：TN929.5
文献标志码：A
DOI: 10.16157/j.issn.0258-7998.234062
引用格式：顾蔡晨，王斌，黄纯华，等. 基于NOMA的双向中继D2D通信容量扩展[J]. 电子技术应用，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】

随着时代的发展，全球移动宽带用户数量激增，移动数据需求呈爆炸式增长，这对网络能耗和成本造成了巨大的压力。为了应对上述挑战，已经有不少扩展通信容量、提升系统吞吐量、节省网络能耗的技术被提出，其中，D2D通信作为5G的关键技术之一，受到了广泛的关注[1]。

NOMA也是非常有潜力的5G技术，目前有着大量的研究[2]。文献[3]提出一种基于匹配度的用户配对方法进行最佳功率分配，提高了基于NOMA的下行多输入多输出(MIMO)通信系统的容纳量。文献[4]提出了一种在基于NOMA技术的D2D通信中联合子信道与功率分配的方案。文献[5]中使用顺序凸规划获得了基于NOMA的D2D组的最优功率分配。文献[6]设计了一个子载波分配算法，为D2D用户分配上行链路和下行链路资源，然后把功率分配问题转化为一个凸优化问题，求解出最佳的功率分配。

上述文献均未考虑中继技术，将中继技术运用于蜂窝系统中，可以将一个质量较差的链路替换为两个或多个质量较好的链路，以获得更高的链路容量以及更好的覆盖。文献[7]提出了一个中继辅助系统，在满足蜂窝链路的最低吞吐量要求下，提升了D2D链路的能量效率。文献[8]提出了一个联合模式选择、中继选择和资源分配优化的中继辅助D2D通信系统，提升了系统吞吐量。

将NOMA和中继结合，可显著提高D2D系统的性能。文献[9]研究了一个联合NOMA和D2D的协作中继系统，通过研究系统的遍历总容量来分析系统的性能。文献[10]提出一种基于信噪比（SNR）的功率分配策略，使NOMA辅助的协作中继系统获得更大的容量扩展。文献[11]提出了一种基于NOMA的两跳D2D通信复用蜂窝用户方案，分析了系统的遍历总容量，对比了采用OMA的传统两跳D2D通信系统的遍历总容量。

上述文献所采用的中继都是单向中继，本文的贡献在于提出了一个基于NOMA的双向中继D2D通信系统，通过对各信号SINR的分析，计算出系统的遍历总容量。仿真结果对比表明，本文所采用的双向中继模型在系统遍历总容量上相较于单向中继模型有显著提升，并且采用NOMA比采用OMA性能更优越。

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【作者信息】

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）

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