吳舒婷 賀玉成 張良梅 周林

（華僑大學(xué)廈門(mén)市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，福建廈門(mén) 361021）

1 引言

隨著物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）設(shè)備和多樣化用戶業(yè)務(wù)的高速增長(zhǎng)，未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)在系統(tǒng)頻譜效率和用戶體驗(yàn)上有著更高的需求。非正交多址接入（Non-orthogonal Multiple Access，NOMA）是未來(lái)通信網(wǎng)絡(luò)中一種有前景的無(wú)線電接入技術(shù)，可有效提高頻譜效率且適應(yīng)于多用戶場(chǎng)景［1］。NOMA 在發(fā)送端利用疊加編碼（Superposition Coding，SC）技術(shù)和在接收端利用串行干擾消除（Successive Interference Cancelation，SIC）技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了多個(gè)用戶通過(guò)分配不同的功率域共享相同的頻譜資源［2］。NOMA 得到廣泛的研究，還有一個(gè)特質(zhì)在于可以和當(dāng)前關(guān)鍵技術(shù)相結(jié)合，例如多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output，MIMO）、協(xié)作中繼系統(tǒng)（Cooperative Relaying System，CRS）、設(shè)備到設(shè)備（Device-to-Device，D2D）等。

中繼技術(shù)由于其能夠有效擴(kuò)大網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、提高通信可靠性的優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)。與傳統(tǒng)的CRS 不同，文獻(xiàn)［3］在基于NOMA 的CRS（C-NOMA）網(wǎng)絡(luò)中，目的地通過(guò)兩個(gè)時(shí)隙可以獲得兩個(gè)不同的數(shù)據(jù)信號(hào)。文獻(xiàn)［4］針對(duì)C-NOMA 網(wǎng)絡(luò)，研究了全雙工中繼在不完全自干擾消除的情況下，利用聯(lián)合優(yōu)化算法得到使中斷概率最小的最優(yōu)功率分配系數(shù)?？紤]多用戶中繼系統(tǒng)，文獻(xiàn)［5］采用菱形中繼選擇模型，利用max-min中繼選擇方案研究了譯碼轉(zhuǎn)發(fā)（Decode and Forward，DF）和放大轉(zhuǎn)發(fā)（Amplify and Forward，AF）中繼的中斷概率和遍歷和速率，仿真結(jié)果表明DF 中繼優(yōu)于AF 中繼。文獻(xiàn)［6］研究了在全雙工/半雙工C-NOMA 網(wǎng)絡(luò)下的中繼選擇方案：隨機(jī)中繼方案和單階段/兩階段中繼選擇方案，分析結(jié)果證明在高信噪比區(qū)域半雙工中繼優(yōu)于全雙工中繼，單階段/兩階段中繼選擇方案優(yōu)于隨機(jī)中繼方案。

D2D 通信允許兩個(gè)鄰近的設(shè)備不經(jīng)過(guò)基站直接通信，這可以改善蜂窩網(wǎng)絡(luò)的本地服務(wù)。文獻(xiàn)［7］將輔助節(jié)點(diǎn)即D2D 發(fā)射用戶作為蜂窩用戶的中繼，根據(jù)頻譜共享協(xié)議，D2D 傳輸與蜂窩傳輸共享相同的時(shí)間和頻率資源。其中，D2D 用戶通過(guò)充當(dāng)CRS 的中繼來(lái)獲取直接通信的機(jī)會(huì)。文獻(xiàn)［8］提出了D2D輔助的C-NOMA（DC-NOMA），相比于傳統(tǒng)的C-NOMA，DC-NOMA 極大的提高了蜂窩通信和D2D 通信的頻譜效率。文獻(xiàn)［9］討論了在DC-NOMA 中不同的解碼策略對(duì)基站到邊緣用戶這一條虛弱鏈路的影響，數(shù)值結(jié)果表明最大合并比（Maximum Ratio Combining，MRC）解碼方案相比單信號(hào)解碼方案和傳統(tǒng)的DC-NOMA，可以獲得更大的性能增益，且不受虛弱鏈路的影響。文獻(xiàn)［10］在全雙工DC-NOMA 中，提出的自適應(yīng)多址接入方案可以實(shí)現(xiàn)最好的中斷性能。文獻(xiàn)［11］研究了中繼協(xié)助的D2D 輔助的C-NOMA（DRC-NOMA）網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)的中繼可同時(shí)作為D2D 通信和蜂窩通信中邊緣用戶的中繼。

文獻(xiàn)［12］將NOMA 技術(shù)應(yīng)用在D2D 組中，在滿足蜂窩用戶干擾約束的條件下，研究了聯(lián)合子信道和功率分配的問(wèn)題。文獻(xiàn)［13］在多個(gè)D2D 對(duì)的協(xié)作D2D（C-D2D）上行傳輸中，將實(shí)現(xiàn)最大用戶服務(wù)質(zhì)量（Quality-of-Service，QoS）的D2D 發(fā)射用戶作為最優(yōu)的中繼用戶，推導(dǎo)了中斷概率的表達(dá)式，最好的D2D 用戶選擇優(yōu)于傳統(tǒng)的C-D2D 網(wǎng)絡(luò)。文獻(xiàn)［14］提出了全雙工單載波多設(shè)備的C-D2D 模型，選擇最優(yōu)的D2D 發(fā)射用戶作為NOMA 上行鏈路的中繼。文獻(xiàn)［15］研究了多個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)和一個(gè)D2D 對(duì)的全雙工C-NOMA 網(wǎng)絡(luò)，采用部分中繼選擇方案（Partial Relay Selection Scheme，PRSS）選擇使D2D邊緣用戶信號(hào)傳輸速率最大的中繼。

在文獻(xiàn)［16］中，如果基站到蜂窩中心用戶（Cell-Center User，CCU）信道在第一時(shí)隙受到深度衰落，則CCU 會(huì)發(fā)生中斷。本文提出一種新的信號(hào)檢測(cè)策略，考慮CCU 在第一時(shí)隙能否成功檢測(cè)蜂窩邊緣用戶（Cell-Edge User，CEU）所需信號(hào)兩種情況，利用邊緣用戶所需信息消除用戶間的干擾。并在此基礎(chǔ)上提出了DC-NOMA 網(wǎng)絡(luò)的兩階段中繼選擇策略（Two-Stage Relay Selection Strategy，TSRS），推導(dǎo)了各個(gè)用戶數(shù)據(jù)信息中斷概率的封閉表達(dá)式。結(jié)果表明，本文所提出的方案可以顯著提高CEU 和D2D通信的中斷性能。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示，其中S為基站，UC為CCU，UE為CEU，N個(gè)中繼用戶為Rn(n=1，2，…，N)。由于路徑衰落，S 和UE之間不存在直接鏈路，S 需要通過(guò)DF 中繼發(fā)送信號(hào)給UE。作為回報(bào)，中繼可以通過(guò)D2D 通信直接發(fā)送自己的信號(hào)給UC。假設(shè)所有的節(jié)點(diǎn)均裝備單天線并工作在半雙工模式，SIC 可以應(yīng)用在每個(gè)節(jié)點(diǎn)。所有的信道均為獨(dú)立且同分布的準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落，用hsn、hsc、hne和hnc分別表示鏈路S →Rn、S →UC、Rn→UE和Rn→UC的信道系數(shù)。此外，每個(gè)接收端的噪聲為加性高斯白噪聲，服從方差為σ2的零均值復(fù)高斯分布。為了滿足Rn→UC的短距離D2D 通信，假設(shè)Rn和UC的鏈路距離很短。

通信分為兩個(gè)時(shí)隙，第一時(shí)隙，基站S向中繼和CCU廣播一個(gè)疊加信號(hào)，其中xe和xc分別為UE和UC所需信號(hào)；Ps為S的總發(fā)射功率；a1和a2為功率分配系數(shù)，滿足a1>a2且a1+a2=1［8］。因此，UC和中繼的接收信號(hào)可表示為：

其中ρ=Ps/σ2。

情況一：若UC成功解碼xe，UC利用SIC 消除xe后再解碼信號(hào)xc，UC解碼xc的信噪比可表示為：

此外，UC保存xe在第二時(shí)隙使用。

情況二：若UC未能成功解碼xe，則UC保存整個(gè)接收信號(hào)ys→c。

中繼可直接解碼信號(hào)xe，相應(yīng)的信干噪比可表示為：

根據(jù)NOMA 原則，UE可直接解碼所需信號(hào)xe，相應(yīng)的信干噪比可表示為：

3 中繼選擇策略

（1）PRSS：根據(jù)S 到中繼鏈路的信道狀態(tài)信息選擇最佳中繼，這種中繼選擇標(biāo)準(zhǔn)可以表示如下：

（2）TSRS：這種中繼選擇方案通常分為兩個(gè)階段。本文提出的TSRS方案在保證UE可靠接收信號(hào)的前提下，選擇使UC傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量最大的中繼。第一階段，為了保證UE的可靠傳輸，建立成功解碼信號(hào)xe的中繼集合：

情況一：在該情況下，xc能否成功解碼只與S →UC鏈路有關(guān)，而與中繼選擇無(wú)關(guān)。所以，只需使xd成功解碼的概率最大。UC成功解碼xd的概率可以表示為：

情況二：為使UC傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量最大，則要使xc和xd成功解碼的概率最大。UC成功解碼xc和xd的概率可以表示為：

經(jīng)過(guò)以上分析，要UC傳輸數(shù)據(jù)質(zhì)量最大，即UC成功解碼xc和xd的概率最大。第二階段應(yīng)根據(jù)Rn→UC鏈路的信道狀態(tài)信息選擇最佳中繼：

4 中繼性能分析

為了分析提出的在新的信號(hào)檢測(cè)策略下利用TSRS 方案DC-NOMA 系統(tǒng)的中斷性能，本節(jié)將推導(dǎo)UE端xe和UC端xc和xd的中斷概率。N個(gè)中繼緊密隨機(jī)分布在一個(gè)協(xié)作區(qū)域內(nèi)，所以中繼之間的距離相對(duì)于中繼到基站和其他用戶的距離是非常小的。為了示范推導(dǎo)，假設(shè)所有的中繼到基站和用戶的距離是相同的，即所有中繼到其他同一節(jié)點(diǎn)的信道是獨(dú)立同分布的［19］。

根據(jù)公式（13）可知，UE沒(méi)能解碼xe，僅當(dāng)|Sr|=0。因此，UE端xe的中斷概率可以推導(dǎo)為：

UC端xc在三種情況下會(huì)發(fā)生中斷：一是當(dāng)|Sr|=0 時(shí)，在第一時(shí)隙xe或xc發(fā)生中斷；二是當(dāng)|Sr|>0 且上節(jié)中的情況一發(fā)生時(shí)，xc發(fā)生中斷；三是當(dāng)|Sr|>0 且上節(jié)中的情況二發(fā)生時(shí)，第二時(shí)隙xe或xc發(fā)生中斷。因此，UC端xc的中斷概率推導(dǎo)為：

相似地，UC端xd也會(huì)在三種情況下發(fā)生中斷：一是當(dāng)|Sr|=0，沒(méi)有中繼被選擇去發(fā)送D2D 信號(hào)；二是當(dāng)|Sr|>0且上節(jié)中的情況一發(fā)生時(shí)，xd發(fā)生中斷；三是當(dāng)|Sr|>0 且上節(jié)中的情況二發(fā)生時(shí)，第二時(shí)隙xe或xd發(fā)生中斷。同樣，UC端xd的中斷概率可以推導(dǎo)為：

基于互斥事件和相互獨(dú)立的原則，公式（19）可以簡(jiǎn)化為：

式（27）可以分為以下幾個(gè)部分計(jì)算：

綜上所述可以得到UC端xd中斷概率的封閉表達(dá)式為（32）。

在文獻(xiàn)［16］的傳統(tǒng)DC-NOMA 中，若在第一時(shí)隙UC沒(méi)能解碼xe，則UC端xc和xd會(huì)發(fā)生中斷。因此，UC端的xd和xc中斷概率可以分別表示為：

5 數(shù)值結(jié)果與分析

為了證實(shí)中斷性能分析并評(píng)估所提出的新的信號(hào)檢測(cè)策略，本節(jié)提供數(shù)值結(jié)果。針對(duì)所提出的新的信號(hào)檢測(cè)策略下利用TSRS 和PRSS 的DC-NOMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型以及利用TSRS的傳統(tǒng)的DC-NOMA網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型，在準(zhǔn)靜態(tài)平坦瑞利衰落信道下進(jìn)行蒙特卡洛仿真。除非特別說(shuō)明，仿真參數(shù)［16］默認(rèn)設(shè)定為：歸一化距離dsc=dsn=0.6，dne=0.4，dnc=0.25；路徑損耗指數(shù)asc=asn=ane=anc=3；功率分配因子a1=0.65，a2=0.35，b1=0.65，b2=0.35；目標(biāo)速率Re=0.7 bit/s，Rc=0.4 bit/s，Rd=0.4 bit/s；中繼個(gè)數(shù)N=10，η=0.5，噪聲方差σ2=0 dBm。

圖2 闡釋了文獻(xiàn)［16］中傳統(tǒng)的DC-NOMA 和本文提出的新的信號(hào)檢測(cè)策略的DC-NOMA 的中斷性能，仿真值與解析值重合，驗(yàn)證了上節(jié)的性能分析值。為了更加直觀的將新的信號(hào)檢測(cè)策略和傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)做對(duì)比，設(shè)定中繼數(shù)量N=1。相當(dāng)于在隨機(jī)中繼選擇下，xc和xd的中斷概率隨著信噪比的增大而減少，且新的信號(hào)檢測(cè)策略的中斷性能優(yōu)于傳統(tǒng)的信號(hào)檢測(cè)，尤其大大提高了成功解碼xc的概率。當(dāng)中繼數(shù)量N=5時(shí)，相對(duì)于隨機(jī)中繼選擇，TSRS 的中繼選擇方案顯著提高了xd和新的信號(hào)檢測(cè)策略的xc的中斷性能。而傳統(tǒng)的DC-NOMA的xc的中斷概率不受中繼選擇方案的影響，只與S →UC鏈路質(zhì)量有關(guān)，所以其中斷性能不變。且在TSRS的中繼選擇方案下，新的信號(hào)檢測(cè)策略的中斷性能優(yōu)勢(shì)更加明顯。由于xe的中斷概率不會(huì)受信號(hào)檢測(cè)策略的影響，這里不加以比較。

圖3 在本文提出的新的信號(hào)檢測(cè)策略下，比較兩種不同的中繼選擇方案對(duì)xe、xd和xc中斷性能的影響。圖3 的（a）和（b），分別描述了xe和xd關(guān)于信噪比ρ的中斷概率的函數(shù)圖像。可以觀察到，相對(duì)于PRSS 的中繼選擇方案，本文提出的TSRS 方案能夠顯著提高xe和xd的中斷性能。針對(duì)xe分析，這是因?yàn)镻RSS 方案只選擇在第一時(shí)隙S →Rn鏈路質(zhì)量最好的中繼，只保證了在中繼處成功解碼xe的中斷概率。本文提出的TSRS 方案，是以保證xe在Rn和UE端成功解碼為前提條件的。對(duì)于信號(hào)xd，雖然PRSS 方案增加了中繼實(shí)現(xiàn)D2D 通信的概率，但是TSRS 方案在保證中繼可以在第二時(shí)隙發(fā)送xd的前提下，還選擇使Rn→UC鏈路質(zhì)量最好的中繼，極大的降低了在UC端xd的中斷概率。

圖3的（c）展現(xiàn)了，在ρ<7 dBm時(shí)，UC端沒(méi)能分到足夠大的功率去解碼xe，情況二發(fā)生，PRSS 方案相比TSRS 方案，在中繼處解碼xe的概率更大，則UC端接收到中繼轉(zhuǎn)發(fā)的xe解碼后再解碼xc的概率更大。因此，PRSS方案下xc的中斷性能要好一些。在ρ>7 dBm 時(shí)，由于TSRS 方案在第二時(shí)隙成功解碼xe并再解碼xc的概率更大，TSRS 方案下xc的中斷性能要更好；而在ρ>25 dBm 時(shí)，UC分配到足夠的功率去解碼xe，情況一發(fā)生，xc的中斷概率與中繼選擇無(wú)關(guān)。所以，兩種方案xc的中斷概率是差不多的。

最后，圖4 展示了xe、xd和xc的中斷概率與中繼數(shù)量N的線性關(guān)系。在新的信號(hào)檢測(cè)策略和TSRS方案下，隨著中繼數(shù)量N的增加，DC-NOMA 系統(tǒng)的xe、xd和xc的中斷概率呈現(xiàn)遞減的趨勢(shì)。因此，增大中繼數(shù)量可以有效降低中斷概率，對(duì)于提高信道質(zhì)量差的蜂窩邊緣用戶UE和D2D 信號(hào)的中斷性能，尤其顯著。

6 結(jié)論

本文在中繼協(xié)作的NOMA 網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用D2D 通信，該DC-NOMA 可以應(yīng)用在未來(lái)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的近距離通信中。在DC-NOMA 中，提出了一種可以充分利用邊緣用戶信息消除用戶間干擾的新的信號(hào)檢測(cè)策略。該信號(hào)檢測(cè)策略對(duì)xc的中斷性能有很大的提高，且在一定程度上提高了xd的中斷性能。在此信號(hào)檢測(cè)策略的基礎(chǔ)上，提出的TSRS 中繼選擇方案，改善了xc的中斷性能，顯著提高了xe和xd的中斷性能和分集增益。中繼數(shù)量的增加，也大大降低了該系統(tǒng)信號(hào)的中斷概率，因此也可滿足未來(lái)大規(guī)模連接中較大規(guī)模中繼場(chǎng)景的應(yīng)用。此外，該DC-NOMA 網(wǎng)絡(luò)也可以考慮功率約束和有效D2D用戶對(duì)的研究，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的中斷性能。