基于NOMA的D2D用户和蜂窝用户通信方案_朱丽媛.pdf

电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Communication and Network通信与网络基于 NOMA 的 D2D 用户和蜂窝用户通信方案朱丽媛1，王斌1，2，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：LTE网络采用非正交多址来增强网络容量，采用D2D来提高频谱效率；让D2D用户使用非正交多址技术共享蜂窝用户的频谱资源可以缓解当下频谱资源短缺的问题，但也会在D2D用户和蜂窝用户之间引入干扰。提出了一种基于非正交多址技术（Non-orthogonal Multiple Access，NOMA）的D2D用户和蜂窝用户的共享研究方案，对于蜂窝用户和D2D用户之间的干扰采用SIC技术消除。该方案不仅通过调整用户的传输功率来优化系统的吞吐量，而且提高了边缘用户的性能。仿真结果表明，基于NOMA的D2D用户和蜂窝用户之间的通信方案在性能上优于传统的蜂窝资源分配方案和干扰控制方案。关键词：蜂窝；D2D；NOMA；频谱复用中图分类号：TN929.5 文献标志码：A DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.223610中文引用格式：朱丽媛，王斌，王文鼐.基于 NOMA 的 D2D 用户和蜂窝用户通信方案J.电子技术应用，2023，49(3)：95-99.英文引用格式：Zhu Liyuan，Wang Bin，Wang Wennai.D2D user and cellular user communication scheme based on NOMAJ.Application of Electronic Technique，2023，49(3)：95-99.D2D user and cellular user communication scheme based on NOMAZhu Liyuan1，Wang Bin1，2，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：LTE network adopts non orthogonal multiple access to enhance network capacity and D2D to improve spectral efficiency.Allowing D2D users to share the spectrum resources of cellular users using non orthogonal multiple access technology can alleviate the current shortage of spectrum resources,but it will also introduce interference between D2D users and cellular users.This paper proposes a research scheme for the sharing between D2D users and cellular users based on non orthogonal multiple access(NOMA)technology.SIC technology is used to eliminate the interference between cellular users and D2D users.This scheme not only optimizes the system throughput by adjusting the transmission power of users,but also improves the performance of edge users.The simulation results show that the communication scheme between D2D users and cellular users based on NOMA is superior to the traditional cellular resource allocation scheme and interference control scheme in performance.Key words：cellular；device to device（D2D）；non-orthogonal multiple access（NOMA）；spectrum reuse0 引言D2D 是 直 接 在 用 户 设 备（UE）之 间 进 行 通 信 的 技术1，非正交多址接入(NOMA)是指通过发射端功率域实现多用户复用以及使用接收端连续干扰消除（SIC）区分叠加用户信号。在蜂窝网络中引入 D2D 通信能有效增强系统容量，引入 NOMA 技术可以使用户在功率域上进行多路复用，从而实现多个用户重用同一资源同时传输信号，有效提高频谱效率2。对于 D2D 和蜂窝用户之间的干扰可以通过连续干扰消除（SIC）消除并解码用户信号。目前有大量针对 D2D 或者针对 NOMA 技术的研究，对于D2D和NOMA技术结合的文章还比较少。文献3提出了D2D用户可以在4种频谱共享模式下运行，考虑了蜂窝用户和 DUE 解码阈值约束下的用户配对、模式选择和功率控制，可以最大化系统的连通性。文献4提出了一种改进的比例公平干扰控制方案，该方案通过调整用户的发射端功率来优化系统的吞吐量，改善了系统整体的公平性4，但该方案没有考虑与NOMA技术相结合来提高频谱资源的利用率。文献5提出了一种基于NOMA实现蜂窝95Communication and Network通信与网络www.ChinaAET.com用户全双工协作协议的 D2D 通信方案，该方案考虑 D2D发射端中继NOMA远程用户的信号并同时传输D2D用户的信号，在完全和不完全干扰消除的假设下，理论上研究了该方案的遍历容量、中断概率和多样性顺序。但该方案着 重 于 比 较 全 双 工 协 作 NOMA 的 性 能 增 益 和 D2D-NOMA 的容量，未能兼顾 NOMA 用户的公平性。文献6提出了一种基于队列的 D2D 信道分配方案，其中 D2D 对以最大阈值时间排在队列中，使用具有先入先出（FIFO）原 理 的 TDMA 方 案 将 信 道 分 配 给 D2D 对，利 用 基 于NOMA 的功率分配和基于 TDMA 的时隙共享，共享具有D2D 对的移动用户的上行链路资源。但该方案只考虑了一个D2D对和蜂窝用户的非正交资源共享。为了解决上述问题，本文的主要贡献如下：（1）提出一种基于 NOMA 的 D2D 用户和蜂窝用户共享研究方案。该方案将两对 D2D 对和一个蜂窝用户分为一个 NOMA 组，并且非正交复用一个资源块。在保证蜂窝用户和 D2D 用户 QOS 的前提下，对于 NOMA 组中的两对 D2D 用户选择最佳的蜂窝用户来复用频谱资源，并为每一组 NOMA 用户选择最优信道进行分配，增加了边缘蜂窝用户获取资源块的机会，提升了系统整体吞吐量。（2）对该方案性能展开仿真分析，仿真结果表明：与传统方案比较，本方案在系统平均吞吐量、D2D 用户接入率以及蜂窝系统边缘用户吞吐量的方面有显著提升。1 系统模型考虑一个包含一个基站（eNB）和用户（所有用户均匀分布）的单蜂窝小区，其中有 N 个蜂窝用户和 M 个D2D 用户，用集合分别表示为1,2,i,N，1,2,j,M，其中 MN；资源块的数量 K 由集合1,2,k,K表示。假设 D2D 链路复用传统蜂窝网络的上行链路信道资源，采用 SC-FDMA 共享上行链路的信道，且一个蜂窝用户的资源可以被两个 D2D 对复用。其中 D2D 用户距离满足最大距离约束。设定路径损耗 g 只与距离有关7,不考虑慢衰落和快衰落带来的影响，将gi,B定义为第 i 个蜂窝用户与基站之间的信道增益，由下式给出：gi,B=L-i，B（1）将gj,m表示为 D2D 对 j 发射端与 D2D 对 m 接收端的链路信道增益：gj,m=L-j,m（2）将gm,j定义为 D2D 对 m 发射端与 D2D 对 j 接收端的链路信道增益：gm,j=L-m,j（3）其中：为路径损耗指数，Li,B代表蜂窝用户 i 和基站间的距离，Lj,m代表 D2D 对 j 发射端和 D2D 对 m 接收端的距离，D2D 对 j 和 D2D 对 m 的信道增益分别表示为gj、gm。同理，根据式（1）式（3）可以推导出hi,j定义为蜂窝用户 i 对 D2D 对 j 接收端的干扰链路信道增益，hi,m定义为蜂窝用户 i 对 D2D 用户 m 接收端的干扰链路信道增益，定义hj,B为 D2D 对 j 和基站间的干扰链路信道增益，最后 D2D 对 m 和基站间的干扰链路信道增益可以表达为hm,B。每条信道的加性高斯白噪声设为2n。如图 1 所示，蜂窝用户 i 和 D2D 用户 j 和 D2D 用户 m非正交复用一个资源块，蜂窝用户 i 以最高功率发送信号，D2D 对 j 和 D2D 对 m 运用 NOMA 的 SIC 技术将蜂窝用户 i 的干扰消除。2 数学模型因为蜂窝用户 CUi以高功率发送信号，D2D 对 j 和D2D 对 m 能够运用 NOMA 的 SIC 技术将蜂窝用户 CUi的干扰信号消除，所以蜂窝用户可以用最大功率发送信号，这样不仅不会增加对 D2D 用户的干扰，而且能够增加蜂窝用户的信噪比，有利于提高系统吞吐量和边缘蜂窝用户的吞吐量。D2D 对 j 和 D2D 对 m 运用 NOMA 的 SIC 技术消除蜂窝用户干扰后，用Pdj和Pdm分别表示 D2D 对 j 和 D2D 对 m的发射功率，信噪比可表示为SINRdj=Pdjgj2n+Pdmgm,j jmin（4）SINRdm=Pdmgm2n+Pdjgj,m mmin（5）其中：jmin和mmin分别表示 D2D 对 j 和 D2D 对 m 的最小信噪比。式（4）、式（5）成立的条件是 D2D 对 j和 D2D 对 m 运用NOMA的SCI技术成功消除蜂窝用户CUi的干扰，即：Pcmaxhi,j2n+Pdmgm,j+Pdjgj（6）图 1系统模型96Communication and Network通信与网络电子技术应用 2023年 第49卷 第3期Pcmaxhi,m2n+Pdjgj,m+Pdmgm（7）其中：Pcmax是蜂窝用户 CUi以最大功率发送信号，是D2D 用户解出 CUi信号的门限。对于蜂窝用户 CUi，需要满足的信噪比为:SINRci=Pcmaxgi,B2n+Pdjhj,B+Pdmhm,B cmin（8）其中：cmin是蜂窝用户 CUi最小的信噪比。基于上面讨论，本文研究系统吞吐量最大化的问题，由于蜂窝用户至基站的信噪比远比D2D用户的直连链路的信噪比要差，因此一个配对中，两个D2D贡献的吞吐量是主要的。因此在保证蜂窝用户的最小信噪比的基础之上，最大化D2D的吞吐量。所提出的问题的数学模型如下：maxi,j,m,Pdj,Pdm,Pcmax k=1KiNj,mMjm(i,j,m ()Pdjgj2n+Pdmgm,j+Pdmg