基于SWIPT的协作NOMA系统性能分析

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非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)以低时延、广连接的优势,已成为5G中最有前景的空口接入技术之一。协作NOMA传输是NOMA研究的重要分支,其中继通常由容量有限的电池供电。在能量受限的实际通信场景中,中继更换电池往往存在困难,导致通信质量和设备生存周期受到严重制约。本文面向中继能量受限的协作NOMA传输场景,开展中继采用信息与能量协同传输(Simultaneous Wireless Information and Power Transfer,SWIPT)技术的协作传输研究。考虑中继位置不同将导致整个能量与信息传输流程的改变,重点对两种典型中继位置下基于SWIPT的协作NOMA传输进行可行性理论分析,具体工作如下:在远点中继传输下(中继相较近端用户远离基站场景),本文借助普西函数和勒赫函数等数学工具,推导了理想串行干扰消除下各用户的中断概率和遍历容量,同时给出一定中断概率下可达传输速率的上限。数值结果验证了推导的正确性,蒙特卡洛仿真结果表明相比基于SWIPT的协作正交多址传输,远点中继传输可有效提升系统性能。为验证各用户的分集增益,给出高信噪比下各用户中断概率的近似表达式并证明各用户的分集增益相等。此外,考虑NOMA串行干扰消除存在消除误差,引入误差因子进行理论推导,获得中断概率的理论值下限和遍历容量的理论值上限。在近点中继传输下(中继相较近端用户靠近基站场景),考虑理想和非理想串行干扰消除,借助高斯-切比雪夫求积公式和指数积分等数学工具分别推导了各用户的中断概率和遍历容量。数值结果验证了推导的正确性,仿真结果显示近点中继传输性能优于基于SWIPT的协作正交多址传输,同时表明在低信噪比下非理想与理想串行干扰消除的性能接近一致。此外,将远点中继和近点中继传输进行系统性能比较,结果显示近点中继传输在中断概率性能上存在优势,而远点中继传输在遍历容量性能上存在优势。分析结果表明基于SWIPT的协作NOMA传输可保证一定的传输性能,适合低功耗、广连接和宽覆盖的5G场景。
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