I nd o ne s ia n J o urna l o f   E lect rica l En g ineering   a nd   Co m p u t er   Science   Vo l.   12 ,   No .   2 N o v e m b er   2 01 8 ,   p p .   8 0 3 ~ 8 1 3   I SS N:  2 5 0 2 - 4 7 5 2 ,   DOI : 1 0 . 1 1 5 9 1 /i j ee cs.v 1 2 .i 2 . p p 803 - 8 1 3          803       J o ur na l ho m ep a g e h ttp : //ia e s co r e. co m/jo u r n a ls /in d ex . p h p / ijeec s   No n - O r thog o na l Multiple  Access  Ass isted D ev ice - to - Dev ice  Co m m uni ca tion:  Bes H elping  Ba s e St a tion  Appro a ch       H uu - P hu Da ng 1 M inh - Sa ng   Va n Ng uy en 2 ,   Dinh - T h ua n   Do 3   1 F a c u lt y   o f   El e c tri c a a n d   El e c tro n ics   T e c h n o lo g y ,   Ho   Ch M in h   C it y   Un iv e rsit y   o f   Tec h n o lo g y   a n d   Ed u c a ti o n ,   V iet n a m   V o   V a n   Ng a n   S tree t,   L in h   Ch ie u   W a rd ,   T h u   Du c   D ist. ,   H o   Ch M i n h   Ci ty ,   V ietn a m   2, 3 F a c u lt y   o f   El e c tro n ics   T e c h n o l o g y ,   In d u strial  Un iv e rsity   o f   Ho   Ch M i n h   Cit y ,   V ietn a m     Ng u y e n   V a n   Ba o ,   G o   V a p   Dist. ,   Ho   Ch M in h   Cit y ,   V iet n a m       Art icle   I nfo     AB ST RAC T     A r ticle  his to r y:   R ec eiv ed   Ma y   7 ,   2 0 1 8   R ev i s ed   J u l 8 ,   2 0 1 8   A cc ep ted   Ju l   22 ,   2 0 1 8       It  c a n   b e   stu d ied   i n   th is  p a p e t h a a   c o o p e ra ti v e   n o n - o rt h o g o n a m u lt ip le  a c c e s (NO M A h e lp d e v i c e - to - d e v ice   (D2 D)  c o m m u n ica ti o n   s y ste m   th ro u g h   b a se   sta t io n   (BS ).   In   p a rti c u lar,  w e   in v e stig a te  BS   se le c ti o n   sc h e m e   a a   b e st   c h a n n e c o n d it io n   f o d e d ica ted   d e v ice w h e re   a   d i ffe re n d a ta  tran sm issio n   d e m a n d   o n   e a c h   d e v ice   is  re so lv e d .   T h e   a n a ly sis  o n   a m p li fy in g - a n d   f o rw a rd   (A F re la y   is  p ro p o se d   to   e v a lu a te  s y ste m   p e r f o r m a n c e   o f   th e   c o n v e n ti o n a c o o p e ra ti v e   NO M sc h e m e .   Un d e th e   re a li stic  a ss u m p ti o n   o f   p e rf e c c h a n n e e sti m a ti o n ,   th e   a c h iev a b le  o u tag e   p ro b a b il i ty   o f   b o th   d e v ice s   is  in v e stig a ted ,   a n d   se v e ra im p a c ts  o n   sy ste m   p e rf o r m a n c e   a re   p re se n ted .   T h e   m a t h e m a ti c a f o r m u la  in   c lo s e d   f o r m   r e late d   to   p ro b a b i li ty   h a s   a lso   b e e n   f o u n d .   By   im p le m e n ti n g   M o n t e - Ca rlo   sim u latio n ,   t h e   sim u latio n   re su lt c o n f irm  th e   a c c u ra c y   o th e   d e riv e d   a n a l y ti c a r e su lt s.  A lso ,   th e   p ro p o se d   D2 c o o p e ra ti v e   NO M s y st e m   in tro d u c e e x p e c ted   p e rf o r m a n c e   o n   re a so n a b le  se lec ted   p a ra m e t e rs  i n   th e   m o d e ra te  sig n a to   n o ise   ra ti o   (S NR)  re g i m e .   K ey w o r d s :   D2 D   NOM A   Ou tag p r o b a b ili ty   R elay   Sele cti o n   Co p y rig h ©   2 0 1 8   In stit u te o A d v a n c e d   E n g i n e e rin g   a n d   S c ien c e   Al rig h ts  re se rv e d .   C o r r e s p o nd ing   A uth o r :   Din h - T h u an   Do   Facu lt y   o f   E lectr o n ics T ec h n o lo g y ,     I n d u s tr ial  U n i v er s it y   o f   Ho   C h i M in h   C it y ,   Viet n a m ,   Ng u y e n   Va n   B ao ,   Go   Vap   Dis t.,   Ho   C h i M i n h   C it y ,   V ietn a m .   E m ail:  d o d in h th u a n @ iu h . ed u . v n       1.   I NT RO D UCT I O N     I n   r ec en t   ti m e s ,   n o n - o r th o g o n a m u lt ip le  ac ce s s   a n d   d ev ice - to - d ev ice   ha ve   at tr ac ted   lo t   o f   atte n tio n   as  in ter est in g   ca n d id ate  f o r   5 th   g e n er atio n   ( 5 G)   n et w o r k s .   I t   is   co n s id er ed   as  o n o f   th m o d er n   tech n o lo g ie s   ap p lied   in   m o b ile  n et w o r k s   f o r   th p u r p o s o f   s o lv in g   th p r o b lem   o f   n e tw o r k   co n g e s tio n   as  w ell  a s   to   o f f lo ad   tr af f ic  f o r   th ce ll u la r   n et w o r k s   an d   en h a n ce   th e   s p ec tr al  ef f ic ien c y   ( SE)   th at  ca u s ed   b y   m a s s i v g r o w t h   in   co n n ec ted   m o b ile  d ev ices.  NOM ca n   b u s ed   i n   w id v ar iet y   o f   ar ea s ,   e s p ec iall y   in   t h I n ter n et   o f   T h in g s   ( I o T )   ap p licatio n s   o r   w ir ele s s   s e n s o r   n et w o r k s ,   w h er w ir ele s s   s i g n al  p r o ce s s in g   tec h n iq u es  ar e   r eq u ir ed .   On o f   t h b i g g e s ad v an ta g es   o f   NOM A   is   th at   it  allo w s   m u ltip le  d ev ices  c o n cu r r en tl y   s e v er ed   w it h   th e   s a m b a n d w id th   r e s o u r ce s ,   e. g . ,   ti m e   s lo ts ,   f r eq u e n c y   o r   s p r ea d in g   co d es,  b u t   th p o w er   o f   t h d ev ices i n   th NO M A   s y s te m   m u s t b d if f er en t.   W ith   s p ec if ic   g o al   to   en h a n ce   t h s y s te m   ca p ac it y   a n d   i m p r o v th e   d ep en d ab ilit y   o f   NO M A ,   co o p er ativ NOM A   ( C - NOM A )   s y s te m s   h a v d r a w n   in   a   f e w   co n s id er atio n s ,   s u c h   as   t h au t h o r s   in   [ 1 ]   co n s id er ed   th av er ag n o r m al  r ate  f o r   C - NOM A   n et w o r k s .   I n   o r d er   to   im p r o v th p er f o r m a n ce   o f   t h e   s y s te m ,   t h au th o r s   i n   [ 2 ]   h av s tu d ied   th tec h n iq u o f   co m b in i n g   NOM A   w i th   m u ltip l an ten n n e t w o r k .     I n   [ 3 ] ,   th s p ec tr al  e f f icien c y   is   e n h a n ce d   b y   th e   ap p licatio n   o f   NOM tec h n o lo g y   to   t h r ela y   tr a n s m i s s io n   an d   co o r d in ated   d ir ec ted .   I n   [ 4 ] ,   th C - NOM n et w o r k   w a s   r ec o m m e n d ed   as  n e d etec tio n   s c h e m e.     B esid es,  th v al u o f   o p ti m al  an d   n ea r   o p ti m al  p o w er   d iv is i o n   p ar am e ter s   w as a l s o   p r o p o s ed .   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n es ia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  12 ,   No .   2 No v e m b er   2 0 1 8   :   8 0 3     8 1 3   804   T h er ar a   n u m b er   o f   s tu d ies  to   i m p r o v th tr a n s m is s io n   p o w er   in   r ela y in g   co m m u n icat io n   n et w o r k s ,   w h ich   in d icate d   i n   [ 5 ] - [ 7 ] ,   d u to   th d iv er s it y   o f   r ad io   ch an n el s   t h at  t h d ev ices  o r   e x p an d in g   co v er ag o f   r ela y i n g   s c h e m e s   ca n   b ex p lo ited .   I n   f ac t,  t h e   L T E   s y s te m   o r   o th er   s y s te m s   ar in d is p e n s ab le   m o d er n   tech n iq u e s   s u c h   as  d e v ice  s elec tio n   tech n iq u e s ,   r elay   s elec tio n   tech n iq u e s   an d   s ch ed u lin g   tech n iq u es.   T h er ef o r e,   th au th o r s   in   [ 8 ]   h a v d o n r e s ea r ch   o n   r ela y   s elec tio n   tec h n iq u es   th a b a s ed   o n   t h N OM A   p r in cip le.   R es u lt s   d e m o n s tr at th at  t h b len d i n g   s c h e m e   o f   h elp f u co o p er ativ r elay   an d   NO M A   ca n   in cr ed ib l y   e n h an ce   th e   s y s te m s   p er f o r m an ce .   F u r th er m o r e,   th o u ta g p r o b ab ilit y   i n   c lo s ed - f o r m   eq u a tio n   w a s   also   f o u n d   b y   t h au th o r s   in   [ 8 ] ,   an d   t h e y   also   p r o p o s ed   d ec o d e - an d - f o r w ar d   ( DF)   r e la y   s elec tio n   in   th e   t w o - s ta g s ch e m e .   A l s o   r elate d   to   th r ela y   s elec tio n   a s s o ci ated   w it h   NO M A ,   th e   r esear ch   w o r k s   in   [ 9 ]   h a v e   ac h iev ed   g o o d   r esu lt s   i n   f in d i n g   th a s y m p to tic  a n d   ap p r o x i m atio n   eq u atio n   o f   t h a v er a g s u m   r ate  i n   A F   m o d e.   I n   ad d itio n ,   a n o th er   r el a y   s e lectio n   m et h o d   h a s   b ee n   ap p lied   in   [ 1 0 ] ,   w h ic h   r elies   o n   p ar tial  c h an n e l   s tate  in f o r m atio n   ( C SI) .   T h r esu lt s   o f   th s tu d y   ar s h o w n   b y   t h an al y s i s   o f   th o u tag p r o b a b ilit y   an d   its   as y m p to tic  f o r m .   I n   th i s   w a y ,   it is   p o s s ib le  to   ev al u ate  t h i n f l u en ce   o f   t h p ar tial r ela y   s el ec tio n   tec h n iq u o n   th s y s te m s   p er f o r m an ce .   I ca n   b s ee n   a s   m o d er n   t ec h n iq u to   m a k t h m o b ile   d ata  o f f lo ad in g   f o r   w ir ele s s   n et w o r k s ,   d ev ice - to - d ev ice   ( D2 D)   s c h e m i s   p r o p o s ed   to   p r o x i m it y   co m m u n icatio n .   D2 d ev ices   d ep lo y   in   t h s a m e   f r eq u en c y   b a n d   w it h   ce llu lar   d ev ices  ( C Us)  u n d er   co n tr o o f   t h b ase   s ta tio n   ( B S)  i n   th e   c ellu lar   n et w o r k   an d   h en ce   e f f ec t iv el y   s u s ce s s   tr an s m i s s io n   p r o b ab ilit y   ca n   b s ee n   a n d   t h p ec tr a e f f icie n c y   ca n   b i m p r o v ed   [ 1 1 ] ,   [ 1 2 ] .   Du to   li m ited   r eso u r ce   o f     th e   b atter y   l if et i m e   b u d g et  o f   d ev ices,  it   ca n   b a f f ec ted   to   th s y s te m   th r o u g h p u i n   D2 u n d er la y i n g   n et w o r k s .   Fo r tu n atel y ,   to   p r o n g   th l if et i m o f   n e t w o r k s ,   D2 u n d er la y i n g   n et w o r k s   c an   b u s ed   en er g y   h ar v e s tin g   v ia  r ad io   f r eq u en c y   as  i n   w o r k s   [ 1 3 ] ,   [ 1 4 ] .   Oth er   tr en d s   in   r ela y in g   n et w o r k s   ca n   b s ee n   i n   r ec en w o r k s ,   s u c h   as  [ 1 5 ] ,   [ 17 ] - [ 1 9 ] .   W h ile  p er f o r m a n ce   o f   e n er g y   h ar v esti n g - b ase d   r ela y in g   ca n   b s h o w n   i n   [ 2 0 ] ,   [ 2 1 ] .   Mo tiv ated   b y   ad v a n ta g o f   D2 an d   NOM A   [ 1 5 ] ,   in   th is   p ap er ,   w p r o p o s e   a   D2 NO MA   s c h e m e   in   s p ec i f ic  m o d e,   w h er d ev i ce   tr an s f er   s i g n al  to   o th er   d e v ice  v ia  b ase  s tatio n w i th   r el a y   s elec t io n   a n d   th e   in f lu e n ce   o f   R a y leig h   f ad in g   c h an n el s   is   d eter m i n ed .   Fo r   th e   m ai n   p u r p o s o f   r esear ch   is   to   s o lv th p r o b le m   o f   in cr ea s i n g   s p ec tr u m   e f f icie n c y , t h p r i m ar y   co n tr ib u tio n s   o f   th i s   p ap er   ar s u m m ar ized   as f o llo w s :   1.   W an al y ze   an d   ev al u ate   th e   p er f o r m a n ce   o f   t h s y s te m   wh ich   i n co r p o r ate  w it h   N OM to g et h er   w it h   BS   s elec tio n   to   en h an ce   n et w o r k   p er f o r m an ce   a n d   s p ec tr al  ef f icie n c y .   2.   E x ac ex p r es s io n s   f o r   th o u tag p r o b ab ilit y   ar o b tain ed   in   clo s ed - f o r m .   Als o ,   it  ca n   b u s ed   as  a   th eo r etica l b asis   f o r   th ac tu a l N OM A   s y s te m   d esi g n .   3.   T h ese  d er iv ed   ex p r ess io n s   ar ch ec k ed   v ia  s i m u latio n   to   co r r o b o r ate  th ex ac tn es s   o f   an a l y s is   i n   NOM A       2.   SYST E M   M O DE L     T h b asic  m o d el  o f   d o w n li n k   co o p er ativ N OM A   s y s te m   is   s h o w n   i n   Fig u r e.   1 ,   w h i ch   i n clu d e s   o n m o b ile  d ev ice   ( 0 D ) ,   t w o   f ar   d ev ices  ( 1 D   an d   2 D )   an d   K   AF  r ela y s   n o d th at   ac ts   a s   b ase  s t atio n   ( B S)  (   12 R , , . . . , K RR   w it h 1 K   ) ,   in   w h ich   0 D   w o u l d   lik to   s e n d   it s   d ata     to 1 D   an d   2 D   w it h   t h a s s i s ta n ce   o f   r elay   th a it  b elo n g s   to   th s et  o f   K   A r ela y s   b ec au s t h er is   n o   im m ed iate  w a y   a m o n g   t h 0 D   w it h   t w o   d ev ice s   1 D   an d   2 D ,   b ec au s o f   th e y   ar co v er ed   o r   in   v er y   d i s ta n p o s itio n .   W co n s id er ed   all  th d ev ices  t h at  ar eq u ip p ed   w i th   o n l y   o n a n ten n a,   t h i s   m e an s   t h at  th e y   w o r k   in   h a lf - d u p lex   ( HD)   m o d e.     T h s ch e m o f   co o p er ativ N OM A   co m p r is es  o f   t w o   s u cc e s s i v eq u i v ale n le n g t h   ti m s lo ts .   As  p r ev io u s l y   m en tio n ed ,   t h s elec ted   r ela y   ca n   b r eso lv ed   th r o u g h   s o m s elec tio n   cr iter ia.   I n   t h i s   p a p er ,   w d e n o te  t h f ad in g   c h an n el  co e f f ic ien t   a n d   th ad d iti v w h ite  Ga u s s ian   n o is ( A W GN)   b et w ee n   0 D   an d   k R   ar e   00 (   0 , ) kk D R D R h C N an d   0   () 0, k R C N N ,   r esp ec tiv el y ,   t h f ad in g   c h an n el  co e f f icien t   an d   t h A W G N   b et w ee n   k R an d i D , 1 , 2 i   ar in d icate d   b y   ( 0 )  , k i k i R D R D g C N   an d   0 ()   0 , ki RD C N N ,   r esp ec tiv el y .   1 D   an d   2 D   ar co m b in ed   to g e th er   to   p er f o r m   NO M A   co o p er ativ s y s te m .       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       N o n - Ort h o g o n a l Mu ltip le  A cc ess   A s s is ted   Dev ice - to - Dev ice  C o mmu n ica tio n :   B e s t…  ( Hu u - P h u Da n g )   805       Fig u r 1 .   S y s te m   m o d el  o f   n o n - o r t h o g o n al  m u ltip le  ac ce s s   s ch e m e s   w it h   b s   s elec t io n       I n   th f ir s t ti m e s lo t,  0 D w i ll se n d   its   d ata  to   all  r ela y s   n o d e,   w h i ch   is   g iv e n   b y   a s   f o llo w s :     0 0 0 1 0 0 2 12 D D D D D x P x P x                 ( 1 )     in   w h ich   1   an d   2 ar th p o w er   al lo ca tio n   co ef f icien ts ,   an d   01 D x   an d   02 D x   ar th d ata  f o r   1 D   an d   2 D r esp ec tiv el y ,   0 D P   d en o te  th tr an s m it p o w er   at  0 D .   B ased   o n   th w o r k in g   f u n d a m e n tal  o f   NO M A,     it c an   b ass u m ed   t h at  12    w it h   12 1   .   T h r ec eiv ed   s ig n a l a k R   is   g i v e n   b y :     00 0 0 0 1 0 0 2 12 k k k kk R D R D R D R D D D D R y h x h P x P x              ( 2 )     It   ca n   b ass u m ed   t h at  t h e   tr an s m it  p o w er   o f   0 D   an d   a ll  r ela y   d ev ices  i s   t h s a m e,   i.e . , 1 2 0 ... K R R R D P P P P P   .   Fu r t h er m o r e,   w d ef i n ed   t h at  t h a v er ag tr a n s m it  SN R 0 0 D P N ,   an d   th e   r an d o m   v ar iab les  00 2 k k D D R Hh   an d   0 2 ki i k D R D Qg   s tan d   f o r   th SN R s   o f   t h li n k s   0 k DR   an d   ki RD   ,   in   w h ic h     1 , 2 i   an d     1 , 2 ,   .   .   .   ,   kK ,   r esp ec tiv el y .   I n   th s ec o n d   s ta g e,   t h s i g n a to   in ter f er e n ce   a n d   n o is r at io   ( SIN R )   at  k R   of   t h ch o s e n   li n k   f o r   d etec tin g   s i g n al  01 D x   ca n   b co m m u n ica ted   as :     0 01 1 , 2  1 kD k D R x k H H                 ( 3 )     L i k e w is e,   th e   SIN R   at  k R   f o r   d etec ti n g   s i g n al  02 D x   ca n   b co m p u ted   b y   ap p l y i n g   s u cc es s i v in ter f er e n ce   ca n ce la tio n   ( SIC)   an d   it c an   b ex p r ess ed   as :     0 02 ,2 kD D R x k H                    ( 4 )     Af ter   r ec ei v i n g   th e   s i g n al  f r o m   0 D ,   th e   r ela y   tr an s m i ts   t h s i g n al  kk R k R x G y to   1 D   an d   2 D in   t h e   : s ec o n d   s ta g e,   w h er k G   is   th g a in   f ac to r   o f   th A F r el a y   m o d e ,   it c an   b ex p r ess ed   as :     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n es ia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  12 ,   No .   2 No v e m b er   2 0 1 8   :   8 0 3     8 1 3   806   00 2 2 0 k k R k D D R P G P h N                 ( 5 )     W ith o u t lo s s   o f   g e n er alit y ,   th e   r ec eiv ed   s ig n als at  1 D   an d   2 D   w h ic h   f o r w ar d ed   b y   k R   as f o llo w s :     1 1 1 1 0 0 0 1 1 0 0 0 2 1 1 1 2 k k k k kk k k k k k R D R D R R D R D D R D D R D D R D D R D R R D y g x G g h P x G g h P x G g            ( 6 )     2 2 2 2 0 0 0 1 2 0 0 0 2 2 2 1 2 k k k k kk k k k k k R D R D R R D R D D R D D R D D R D D R D R R D y g x G g h P x G g h P x G g            ( 7 )     I t is si m ilar   to   th f ir s t ti m s l o t,   th SIN R   at  1 D   o f   th li n k   1 k RD   ca n   b s h o w n   a s     1 01 11 , 2 1 1  1 kD kk R D x k k k k HQ H Q H Q               ( 8 )     C o n s id er in g   o n   t h li n k 2 k RD ,   th i n s ta n ta n eo u s   SIN R   at  2 D   to   r em o v 01 D x   an d   th SIN R   at   2 D   to   g et  its   o w n   d ata,   r esp ec tiv e l y ,   ar g i v en   b y     2, 0 1 0 2 12 2 2 2  1 kD kk R D x k k k k HQ H Q H Q             ( 9 )     2 02 22 , 2  1 kD kk R D x kk HQ HQ                  ( 1 0 )       3.   O UT A G E   P E RF O RM ANCE CO NSI DE R A T I O N   B ec au s it  m u s t   b s ati s f ied   q u alit y - of - s er v ice  ( Qo S)  r eq u ir e m e n ts ,   i r eq u ir co n s id er atio n   o n   o u tag p er f o r m a n ce .   So ,   th d ev ices  i n   t h s y s te m   w il b p r o v id ed   s ep ar ated   SNR   th r e s h o ld i th , 1 , 2 i R e m e m b er in g   t h is ,   n e x t   it  w i ll  b d er iv ed   th o u ta g p r o b ab ilit ies  f o r   th t w o   p air ed   d e v ices  1 D   an d   2 D   Fo r   s tr aig h t f o r w ar d n es s ,   it  ca n   b ass u m ed   th at  all  t h SIN R s   t h r es h o ld   o f   1 D   an d   2 D ar th s a m e,     i.e . , 12 t h t h t h  .     3 . 1 .     O ut a g P r o ba bil it y   At   D 1   F o Det ec t ing   Sig na 01 D x   I ca n   b in itia ll y   d eter m in ed   t h o u ta g p r o b ab ilit y   a th c h o s en   r ela y i n g   n o d e * k R r elate d   th s ig n al   01 D x an d 02 D x ,   r esp ec tiv el y .   T h cu m u lati v d is tr ib u tio n   f u n ctio n s   ( C D Fs )   o f   th r an d o m   v ar iab les  * k H an d   * ik Q   ar e,   r esp ec tiv el y ,   g i v en   b y   [ 1 0 ]     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       N o n - Ort h o g o n a l Mu ltip le  A cc ess   A s s is ted   Dev ice - to - Dev ice  C o mmu n ica tio n :   B e s t…  ( Hu u - P h u Da n g )   80 7   0* 0* 1 1 1 e x p 1 e x p 1 ( ) k k k th H t h k k K DR K k D th R F K k                 % %             ( 1 1 )     * e x p 1 i ik k t RD h Q t h F %                    ( 1 2 )     w h er * 0 0 0 k k D D D R R %    an d   * 0 * ii kk D R D R D %   s tan d   f o r   th e   av er ag SN R s   o f   t h li n k s   * 0 k DR an d   * i k RD ,   r esp ec tiv el y .   I n   p r in cip le   o f   th e   NO M s c h e m e,   an   o u ta g ev e n o cc u r s   i f   t h r ela y i n g   tr a n s m is s io n   s u cc ee d s .   T h er ef o r e,   th o u tag p r o b ab ilit y   ( OP )   at  1 D   ca n   b ex p r ess ed   as     1, 0 1 1 01 1,    k D R D x kD R D x t h t h F O P P r              ( 1 3 )     w h er e,     ** , 1 01 * * * * 1 1 2 11 12 11 Pr Pr  1   R D x kD kk t h t h k k k k t h t h t h t h k k k HQ H Q H Q H Q Q F               ( 1 4 )     Fro m   ( 1 4 ),   it  ca n   b also   s ee n   th at   i f   1 1 2 0 k t h t h Q   th o u ta g al w a y s   h ap p en s ,     w h er ea s   i f   1 1 2 0 k t h t h Q o r   1 12 th k t h th Q %    th e n   th e   o u tag e   m a y   o cc u r   o r   n o t.   A cc o r d in g l y ,   i t c an   b s h o w n   t h at     , 1 1 01 1 11 11 12   1 1 1 R D x k k D kk th k k k th k k k th t h Q t h t h t h HQ t h t h Q t h H Q th th Q t h H Q th FF z Ff z z F F f z z F F f z z d z z d z z d z % % % % % % % % %                                ( 1 5 )     No te  th at  f X   d en o tes  a s   t h p r o b ab ilit y   d en s it y   f u n ct io n s   ( P DF)   o f   t h c h a n n e X   i.e . ,   1 x f x e X X X .     B y   d is p lacin g   ( 1 1 )   an d   ( 1 2 )   in to   ( 1 5 ) ,   , 1 01 R D x k D th F ca n   b g o as   in   ( 1 6 )   w h er 1 K   in d icate s   t h e   f ir s t o r d er   m o d if ied   B ess el  f u n ctio n   o f   t h s ec o n d   k i n d   [ 1 6 ,   e q .   ( 9 . 6 . 2 2 ) ]   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n es ia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  12 ,   No .   2 No v e m b er   2 0 1 8   :   8 0 3     8 1 3   808   , 1 1 01 1 0* *1 0 * * 1 1 1 1 1   11 1 e x p 1 11 1 e x p e x p () () R D x k k D th k th k k kk K k DR K k R t h Q t h k th Q th k D D R R D th th K k z d z K k FF z k f z z kz z                          % % % % %% % % % % % 0 * * 1 1 1 1 11 1 e x p 2 2 () kk k t K k D R R D h k z k K d K               % %%         ( 1 6 )     w h er 0 * * 1 kk t h t h t h D R R D k  % % % % %   A t t h en d ,   t h o u ta g p r o b ab i lit y   at  1 D   f o r   d etec tin g   s ig n al  01 D x ca n   b ac h iev ed   as     0 * * 1 1 1 1 1 11 1 e x p 2 () 2 kk K k D R R D k th K k OP k K            %% %           ( 1 7 )     3 . 2 .     O ut a g P r o ba bil it y   At   D 2   F o Det ec t ing   Sig na 02 D x   Sin ce   2 D   r eq u ir es  to   g et  a n d   th e n   r e m o v t h s i g n al  o f   1 D   f ir s t,  t h o u ta g p r o b ab ilit y   at  2 D   w il l   b o cc u r   if   t h o u ta g p r o b ab ilit y   o f   t h f ir s s tate  a n d   th s ec o n d   s tate  o cc u r r ed .   I n   th i s   m an n er ,   t h o u ta g e   p r o b a b ilit y   at  2 D   ca n   b s h o w n   a s     2, 0 1 0 2 1 2 *2 02 , 2       D D k k R D x t h D t R h I I x O P P r P r 1 4 4 4 4 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 4 4 4 3 1 4 4 4 4 4 4 4 4 2 4 4 4 4 4 4 4 4 3           ( 1 8 )     Fro m   t h o u ta g p r o b ab ilit y   o f   1 D   f o r   d etec tin g   s i g n a 01 D x ,   it  ca n   b co m p u ted   th at  th o u ta g e   p r o b a b ilit y   f o r   2 D   f o r   d etec tin g   s ig n a 02 D x as f o llo w s   [ 1 0 ]     2, 0* 0 *2 0 1 2 1 1 1 1 1 1   11 1 ex ( 22 ) p kD kk R D x K k DR h R t D th k K k I P r k K             %% %           ( 1 9 )     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       N o n - Ort h o g o n a l Mu ltip le  A cc ess   A s s is ted   Dev ice - to - Dev ice  C o mmu n ica tio n :   B e s t…  ( Hu u - P h u Da n g )   809   W h er e   0 * * 2 1 kk t h t h t D R R D h k  % % % % %     , *2 02 ** , *2 02 ** 2 2 2 2 Pr  1 R D x D k R D x D k th kk th kk HQ HQ IF                    ( 2 0 )     * * , *2 02 * * 22 2 0* 2 2 2 1 2 2 2 1 2 2 2  1 Pr 1 1 1 1 1 e ( p ) x R D x k k k k D kk k th k k th th th Q Y Q th t K k D h k th Q th R Q H Q z F F f z d F K k z z z k F z                            % 2 2 2 * 2 0 * * 2 0 * * 2 1 2 2 1 2 1 1 1 1 1 1 e x p ( ) e x p () 1 1 1 e x p k k th th kk kk Q t K k R D D h R R D K k k th k th D R R D f z d K z k z z k dz k K z k                             % % % %% 2 1 2 22 K           ( 2 1 )     w h er 0 * * 2 22 2 1 kk D R R t h t h D k       %% .   I n   n e x t step ,   th m at h e m atics  ex p r es s io n   i n   clo s ed - f o r m     f o r   2 OP is   p r o v id ed   as     2 1 2 O P I I                    ( 2 2 )     3. 3   T he  P ro po s ed  B S Selec t io n Cr it er ia   I n   ca s o f   d etec tin g   02 D x   at  2 D ,   it  ca n   in itiall y   d et ect   s ig n al  f o r   01 D x an d   af ter w ar d   ap p ly i n g   SI C   f o r   d etec tin g   t h r e m ai n i n g   s ig n a l.  A cc o r d in g l y ,   th o v er all  o u tag f o r   co llectin g   s i g n al  r elat ed   to   b o th   1 D   an d   2 D   ca n   b co m p u ted   as b elo w       * 2 * 1 2 , 0 2 0 1 0 2 01 1 1 2 ,,   ,, D k D D kk R D x R D x R D x t t t h h h S O P O P        ( 2 3 )     No te  th at  th BS   s e lectio n   cr it er ia  ar d ef in ed   as f o llo w s     0 * a r g m a x k DR k   an d   * 1 , 2 . . . , m a x k k kK HH             ( 2 4 )     w h er e 0 k DR is   d en o ted   SNR   at  r ela y   k   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n es ia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  12 ,   No .   2 No v e m b er   2 0 1 8   :   8 0 3     8 1 3   810   4.   NUM E RICAL   R E S U L T S   I n   th is   s ec tio n ,   to   co n f ir m   t h o u tag p er f o r m a n ce ,   th p r o p o s ed   B s elec tio n   s tr ate g y   f o r   D2 tr an s m is s io n   is   v er i f ied   an d   s ev er al  co r r esp o n d in g   s i m u la tio n s   ar co n d u cted .   T h s p e cif ic  v al u es  o f   t h e   ad o p ted   s im u latio n   p ar a m eter s   ar s u m m ar ized   i n   s p e ci f f i r esu lt.  I n   t h is   p ap er ,   all  s i m u latio n   r e s u l ts   ar e   p er f o r m ed   b y   a v er ag i n g   o v e r   6 10   r an d o m   tr ial s ,   u n le s s   m e n tio n ed   o t h er w is e.   P ar tic u lar l y ,   i n   t h i s   p ar t,     o u r   n u m er ical  r esu l ts   ar p r o v id ed   to   ev alu ate  th o u ta g p er f o r m an ce   of   t w o   f ar   d ev ices  in   NOM A   s c h e m e   an d   in   s e v er al  s ce n ar io s .   T h s i m u lat io n   r es u lt s   ca n   b o b tain ed ,   w h ic h   b ased   o n   th e   Mo n t C ar lo   s i m u latio n ,   in   w h ich   B P C is   d en o ted   f o r   b it p er   ch an n el  u s e           Fig u r 2 .   Ou tag p r o b ab ilit y   o f   1 D ,   1 0 . 8 01 1 , 1 0 , 1 kk D R R D t h       I n   Fi g u r 2 ,   th o u ta g p er f o r m an ce   o f   t h p r o p o s ed   s ch em is   s h o w n   v er s u s   t h SN R   0 D r   w h e n   v ar y i n g   n u m b er   o f   r ela y   n o d w h ic h   is   i n   r o le  o f   h elp in g   r el a y   f o r   t h n ea r   d ev ice  ca n   b c o m m u n icatted   w it h   th f ar   d ev ice.   W s et  p o w er   allo ca tio n   f o r   t w o   f ar   d ev ices   in   NOM A   s c h e m e.   Fro m   Fi g u r 1 ,   o n ca n   s ee   th at  t h p r o p o s ed   s ch e m e s   with   h i g h   n u m b er   o f   r ela y   n o d s ig n i f ica n tl y   o u tp er f o r m   t h s ch e m u s o n l y   r ela y .   T h p er f o r m an ce   g a p   is   lar g w h e n   SN R   lar g e.   A s   ca n   b s ee n   f r o m   s u c h   s i m u l atio n ,   th p r o p o s ed   o p tim a s ch e m h as  t h s i m il ar   p er f o r m a n ce   as  th n u m b e r   o f   r elay   is   5   o r   1 5 ,   an d   th is   s itu atio n   co n f i m ed   th at  f lo o r   o u tag o cc u r at  li m ited   n u m b er   o f   r ela y .   F u r th er m o r e,   Fig u r e.   2   m a n i f est  t h at  D2 NOM A   ca n   r e m ar k ab l y   e n h a n ce   t h e   o u ta g p er f o r m an ce   at  h i g h   tr an s m it   SN R   at   t h f ir s t   d ev ice.   Mo r i m p o r tan tl y ,     th an al y tica l c u r v e s   m atch   v e r y   w e ll  w it h   Mo n te - C ar lo   r esu lts .           Fig u r 3 .   Ou tag p r o b ab ilit y   o f   2 D 1 0 . 8 02 1 , 1 , 1 kk D R R D t h   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I n d o n esia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci     I SS N:  2502 - 4752       N o n - Ort h o g o n a l Mu ltip le  A cc ess   A s s is ted   Dev ice - to - Dev ice  C o mmu n ica tio n :   B e s t…  ( Hu u - P h u Da n g )   811   Si m i lar l y   i n   Fi g u r 3 ,   th o u tag p er f o r m an ce   f o r   d etec tin g   s ig n al  o f   D2   an d   p er f o r m an ce   g ap   p r o v id th en h an ce d   p er f o r m an ce   at  h ig h   n u m b er   o f   r ela y   i n   all  v al u es  o f   SN R   r eg i m e.   T h is   is   b ec au s m o r r ela y s   b r in g   h ig h er   d iv er s i t y   g ain s ,   w h ic h   i m p r o v e s   t h r eliab ilit y   o f   t h co o p er ativ n et wo r k s .   I n   th lo w   to   m o d er ate  SN R   r an g e,   th p er f o r m a n ce   o f   t h p r o p o s ed   s ch em d ec lin e s   s h ar p l y .             Fig u r 4 .   Ou tag p r o b ab ilit y   o f   d etec tin g   1 D s   s i g n al  as  v ar y i n g   th r es h o ld   SNR ,   1 0 . 8 01 1 , 1 0 , 1 kk D R R D K        Fig u r 4   s h o w s   o u ta g p er f o r m an ce   o f   d etec tin g   s i g n a o f   f ar   d ev ice  d en o ted   as  1 D   as  ch a n g in g   t h e   th r es h o ld   SN R .   I n   t h is   ca s e,   t h a n al y s i s   li n e s   o f   t h o u tag p r o b ab ilit y   m a tch   co in cid e s   w it h   th e   s i m u latio n   lin es.  I ca n   b s ee n   th at  t h e   p er f o r m a n ce   o f   s u c h   D2 NOM A   w ith   lo w   d ata  r ate  p r o d u ce   lo w er   o u ta g e   ev en t.  S i m ilar l y   tr e n d   ca n   b s ee n   in   F ig u r 5   f o r   d etec tin g   s i g n al  o f   2 D .           Fig u r 5 .   Ou tag p r o b ab ilit y   o f   d etec tin g   2 D s   s i g n al  as  v ar y i n g   th r es h o ld   SNR ,   1 0 . 8 02 1 , 1 , K 1 kk D R R D        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                      I SS N :   2 5 0 2 - 4752   I n d o n es ia n   J   E lec  E n g   &   C o m p   Sci,   Vo l.  12 ,   No .   2 No v e m b er   2 0 1 8   :   8 0 3     8 1 3   812       Fig u r 6 .   C o m p ar is o n   o f   p r o b ab ilit y   b et w ee n   1 OP   an d   2 O P 1 0 . 8 0 1 2 1 , 1 0 , 1 k k k D R R D R D .       I is   s h o w n   t h at  th n u m b er   o f   r ela y   n o d ( B n o d e)   in   t h co n s id er ed   n et w o r k s   w h ic h   s tr o n g l y   af f ec o n   t h o u tag p er f o r m a n ce   at  all  v al u es  o f   SN R   r eg i m e.   W ith   th n u m b er   o f   r ela y   n o d is   s elec ted   a n d   at  s p ec i f ic  SNR   at  s o u r ce   d e v ice,   th e   o u ta g p r o b ab ilit y   f o r   1 D   a n d   2 D    is   t h s a m e.   A n o t h er   o b s er v atio n   is   th at  t h p er f o r m a n ce   o f   t w o   f a r   d ev ice  is   d if f er   v al u at  h i g h   SNR .   Fig u r 7   p lo ts   t h o u ta g p r o b ab ilit y   o f   o v er al  D2 s y s te m   as   co n s id er i n g   d etec tio n   o f   t w o   s i g n al   f o r   t w o   d ev ice s   w i th   d if f er en n u m b er   o f   B n o d e.   On ca n   o b s er v ed   th at   ad j u s tin g   th e   n u m b er   o f   B S   n o d i n   D2 NOM A   w ill  a f f ec th o u tag b eh a v io r s   o f   o v er all  s y s te m .   A s   th v alu o f   SN R   in c r ea s es,  th o u tag e   w il b i m p r o v ed   r e m ar k ab l y .   I is   w o r th   n o ti n g   t h at  b as ed   o n   th e   ap p licatio n   r eq u ir e m en ts   o f   d i f f er e n t   s ce n ar io s ,   t h s etti n g   o f   r ea s o n ab le  n u m b er   o f   B S i n   D2 NOM A   i s   p r er eq u is ite.           Fig u r e   7 .   Ou tag e v e n t o f   o v er all  D2 NOM A ,   1 0 . 8 0 1 2 1 , 1 0 , 1 k k k D R R D R D .       5.   C O N C L U SIO N   I n   th i s   p ap er ,   co o p er ativ n o n - o r th o g o n al  m u ltip le  ac ce s s   w h o s m ai n   o b j ec tiv is   to   i m p r o v th e   s p ec tr u m   ef f ic ien c y   o f   D2 co m m u n icatio n   s y s te m   w a s   s tu d ied   an d   p r o p o s ed .   B esid es,  th B s elec tio n   s ch e m as  b est  ch an n el  co n d itio n   f o r   d ed icate d   d ev ices  w as  also   in v est ig ated .   T h p er f o r m a n ce   o f   th e   p r o p o s ed   m o d el  is   ev alu a te d   b y   co n s id er atio n s   o n   t h e   o u tag p r o b ab ilit y   in   clo s e d - f o r m   e x p r ess io n s   th p o w er   d is tr ib u tio n   co ef f i cien a n d   th s y s te m   o u ta g e.   Ou r   r es u lts   ar v er i f ied   b y   s i m u lat io n   r es u lt s   Fro m   th e x ac o u tag e   p r o b ab ilit y   e x p r ess io n   an d   s i m u la tio n   r es u lts ,   it   is   ea s y   to   r ea lize  t h at  t h q u a n tit y   o f   r ela y   n o d an d   t h t h r es h o ld   r ate  h a v co n s eq u e n ce s   o n   s y s te m   p er f o r m a n ce O u r   s u g g ested   s ch e m ca n   d r am at icall y   i n cr ea s t h s p ec tr al  ef f icien c y   o f   t h s y s te m   v i co o p e r ativ D2 D - NOM A   s ch e m e.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.