5G中非正交多址接入下功率分配與用戶選擇算法的研究

賈麗妍 曹睿杭 李晨 張夢(mèng) 程家貴 揚(yáng)州大學(xué)

1.引言

由于物聯(lián)網(wǎng)，云服務(wù)等的發(fā)展，新的業(yè)務(wù)模型和應(yīng)用不斷涌現(xiàn)，為加快新業(yè)務(wù)，新應(yīng)用的開發(fā)，第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)( 5G) 的發(fā)展有了強(qiáng)大的推動(dòng)力。作為面向 5G 的關(guān)鍵技術(shù)之一，NOMA 系統(tǒng)中的功率分配和用戶選擇問題近年來(lái)引起學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注，不少學(xué)者對(duì)其進(jìn)行了深入的研究?，F(xiàn)有功率分配算法主要 FSPA( full search power allocation，全空間搜索算法)、FPA( fixed power allocation，固定功率分配算法)、IWPA ( iterative water filling power allocation，迭代注水功率分配算法)以及 FTPA( fractional transmit power allocation，分?jǐn)?shù)階發(fā)射功率分配算法)。已有的用戶選擇算法主要有隨機(jī)選擇算法，基于信道差異選擇算法和窮盡遍歷的用戶選擇算法。

2.功率分配算法

2.1 FSPA

FSPA通過對(duì)候選用戶集中的用戶遍歷所有可能的功率分配方案，從而獲得最優(yōu)的功率分配，實(shí)現(xiàn)非正交多址系統(tǒng)的最佳性能。但此方案以較高的復(fù)雜度換取最佳的系統(tǒng)性能和速率性能，使得系統(tǒng)開銷比較大，故在實(shí)際系統(tǒng)中一般不予采用。

2.2 FPA

FPA先將獲得調(diào)度的用戶根據(jù)其信道增益降序排列，然后按照預(yù)先確定的比例系數(shù)確定相鄰用戶分配的功率。FPA雖然復(fù)雜度較低，但是系統(tǒng)性能受功率分配因子的影響較大，且通常不能達(dá)到系統(tǒng)的最佳性能。

2.3 IWPA

注水算法是根據(jù)注水定理，使得信道自適應(yīng)分配發(fā)送功率，根據(jù)信道狀況的優(yōu)劣來(lái)確定分配功率的多少，從而實(shí)現(xiàn)傳輸速率最大化。實(shí)現(xiàn)功率的 “注水”分配。在以功率信號(hào)為信息載體的非正交多址技術(shù)中，注水功率分配算法的這一特性既保證系統(tǒng)容量的最大化，又保證了用戶的公平性。IWPA可以實(shí)現(xiàn)較好功率分配性能，但其存在局部最優(yōu)及復(fù)雜度高的問題。該算法雖然可以獲得更好的系統(tǒng)吞吐量，但是迭代過程中考慮了子載波上所有用戶，算法復(fù)雜度很高。

2.4 FTPA

FTPA算法根據(jù)用戶的信道增益和系統(tǒng)定義的一個(gè)衰減因子進(jìn)行功率分配，衰減因子越大，分配給較低信道增益用戶的功率越高。這種方法在初次分配中忽視了信道的時(shí)變特性，是一種次優(yōu)的功率分配方法。FTPA平衡了低信噪比用戶的公平性并且降低了接收端譯碼的復(fù)雜度，但是 FTPA 是局部最優(yōu)化方案，并且系統(tǒng)性能同樣受到所選功率分配因子的影響，因此FTPA方案還有待進(jìn)一步完善。

2.5 四種功率算法比較

以上四種功率分配的方案，除了全空間搜索算法在實(shí)現(xiàn)上比較復(fù)雜，其他四種算法都能在工程上實(shí)現(xiàn)，并且這三種方案中復(fù)雜度為IWPA＞FPA＞FPTA.其中IWPA是性能最優(yōu)的。FPA算法盡管實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度和FTPA算法差不多，但是其性能較差，綜合考慮，F(xiàn)TPA的方案因?yàn)樾阅鼙平麵WPA方案，且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度適中，應(yīng)用在NOMA系統(tǒng)中最為合理。

3.用戶選擇算法

3.1 隨機(jī)用戶選擇算法

隨機(jī)用戶選擇算法是一種簡(jiǎn)單的算法，它的基本思想是在非正交多址系統(tǒng)的發(fā)送端分組時(shí)，在候選的用戶集合中，隨機(jī)的選擇用戶分配在子信道上。隨機(jī)用戶選擇算法從第一個(gè)子信道開始，對(duì)小區(qū)內(nèi)的所有候選用戶隨機(jī)的選取并分配。隨機(jī)用戶選擇算法的選擇思想簡(jiǎn)單，雖然復(fù)雜度很低，但是用戶之間選擇是隨機(jī)匹配的，并沒有考慮每個(gè)用戶的信道增益對(duì)用戶選擇的影響，會(huì)使得系統(tǒng)性能較差，同時(shí)不能保證用戶接入的公平性。

3.2 窮盡遍歷的用戶選擇算法

窮盡遍歷搜索的用戶選擇算法，是將空間里所有可能的選擇情況列出來(lái)，找到能夠在用戶容量與系統(tǒng)容量之間達(dá)到良好折中的疊加用戶組合。遍歷搜索的用戶選擇算法，需要對(duì)候選空間內(nèi)的所有用戶組合進(jìn)行搜索和計(jì)算，從而選擇性能最佳的疊加用戶組合，這樣充分考慮了疊加用戶之間的干擾，可以最大化系統(tǒng)的容量性能。雖然性能優(yōu)勢(shì)明顯，但該算法的用戶迭代的復(fù)雜度較高。

3.3 基于用戶信道差異的用戶選擇算法

由于當(dāng)用戶之間的信道差異較大時(shí)，會(huì)使用戶信息在接收端容易分離，根據(jù)這一性質(zhì)，我們可以根據(jù)用戶信道的差異來(lái)進(jìn)行疊加用戶的選擇。基于信道差異的選擇考慮了疊加用戶之間的信道狀況，性能相對(duì)于隨機(jī)選擇算法有了極大提高，但當(dāng)信道差異較小時(shí)將會(huì)影響疊加組合的傳輸性能。

3.4 比較以上算法

對(duì)比以上幾種用戶選擇算法可知，窮盡遍歷用戶選擇可以達(dá)到最好的性能，而隨機(jī)選擇性能最差。窮盡搜索的用戶選擇算法，通過對(duì)所有的候選用戶組合進(jìn)行迭代計(jì)算，充分保證了用戶速率和系統(tǒng)速率之間的良好折中，可以達(dá)到最好的系統(tǒng)性能，但是該算法的復(fù)雜度也是最高的。

4.結(jié)語(yǔ)

本文著重介紹了NOMA系統(tǒng)中的功率分配和用戶選擇問題，提出了目前已有的功率分配和用戶選擇算法，并對(duì)此進(jìn)行了分析和概括。5G逐步由新技術(shù)探索研究，向標(biāo)準(zhǔn)制定過渡，大量的新技術(shù)對(duì)提高5G的性能起到積極的作用，而NOMA技術(shù)及其相關(guān)研究，對(duì)5G技術(shù)的發(fā)展相信會(huì)帶來(lái)積極的促進(jìn)作用。隨著信息社會(huì)的發(fā)展，5G時(shí)代即將到來(lái)。

（指導(dǎo)教師：楊睛）