非正交多址接入系統(tǒng)下行鏈路簇內(nèi)用戶數(shù)最大化研究

馮鄭慧 李莉 林振 彭張節(jié)

摘 要： 針對(duì)非正交多址接入系統(tǒng)（NOMA）下行鏈路，基于系統(tǒng)吞吐量最大化原則，對(duì)簇內(nèi)用戶發(fā)射功率進(jìn)行了最優(yōu)分配，發(fā)現(xiàn)簇內(nèi)用戶數(shù)過(guò)多會(huì)導(dǎo)致簇內(nèi)吞吐量下降，提出了給定吞吐量最小限值條件下簇內(nèi)用戶數(shù)最大值的估計(jì)方案.仿真結(jié)果顯示：當(dāng)給定吞吐量的最小限值為10 Mbit·s-1時(shí)，簇中所能包含的最大用戶數(shù)為4.

關(guān)鍵詞： 非正交多址接入（NOMA）; 功率分配; 用戶配對(duì)

中圖分類號(hào)： TN 929.5文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 1000-5137（2019）01-0013-07

Abstract： For the downlink of non-orthogonal multiple access system，by use of the principle of system throughput maximization，the transmission power of intra-cluster users was allocated optimally.However it was discovered that the intra-cluster throughput declined with the excessive number of intra-cluster users.An estimation scheme of the maximum number of intra-cluster users under the given minimum throughput limit was proposed.Simulation results showed that the maximum number of users that could be included in a cluster was 4 when the minimum limit for a given throughput was subjected to 10 Mbit·s-1.

Key words： non-orthogonal multiple access（NOMA）; power allocation; user pairing

0 引 言

在5G系統(tǒng)的候選關(guān)鍵技術(shù)中，非正交多址接入（NOMA）技術(shù)因其高頻譜效率而被人們廣泛關(guān)注.NOMA系統(tǒng)的子信道傳輸采用正交頻分復(fù)用（OFDM）技術(shù)，子信道之間互不干擾，但多個(gè)用戶可以共享同一頻段內(nèi)的若干子信道.NOMA系統(tǒng)在發(fā)送端采用非正交發(fā)送方式，主動(dòng)引入干擾信息，在接收端通過(guò)串行干擾刪除（SIC）接收機(jī)實(shí)現(xiàn)正確解調(diào).SIC接收機(jī)可根據(jù)用戶信號(hào)功率大小不同，按照一定的順序消除干擾，達(dá)到區(qū)分用戶的目的.

ISLAM等[1]對(duì)NOMA的基本概念和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了介紹.SHAHAB等[2]為使系統(tǒng)吞吐量和誤碼率達(dá)到均衡，在兩用戶場(chǎng)景下，提出了基于二分搜索方案的閾值功率改進(jìn)分配方案.ALI等[3]研究了在多用戶場(chǎng)景下，根據(jù)用戶經(jīng)歷的信道狀況的不同，對(duì)用戶進(jìn)行分簇，基于此分析了上下行鏈路的功率分配問(wèn)題.WANG等[4]結(jié)合OFDM技術(shù)，將兩用戶場(chǎng)景拓展到多輸入多輸出場(chǎng)景，但計(jì)算復(fù)雜度有待降低.SHAHAB等[5]在傳統(tǒng)用戶配對(duì)的基礎(chǔ)上，提出了混合用戶配對(duì)方案和統(tǒng)一信道增益差配對(duì)（UCGD）方案，有效解決了由于用戶配對(duì)造成的吞吐量差異等問(wèn)題.曹雍等[6]為提高邊緣小區(qū)用戶公平性問(wèn)題，提出了一種新的功率分配策略：根據(jù)比例公平方法，在保證每個(gè)用戶最低數(shù)據(jù)傳輸速率的情況下，最大化復(fù)用公平性最差的用戶的比例公平因子.張德坤等[7]介紹了NOMA系統(tǒng)下行鏈路接收端的干擾消除算法，并將檢測(cè)算法和SIC算法相結(jié)合，有效去除了用戶間干擾.

上述研究都假設(shè)NOMA系統(tǒng)單個(gè)簇中的用戶數(shù)固定，且均沒(méi)有分析同一頻段中的單個(gè)用戶簇所能包含的用戶數(shù).隨著未來(lái)用戶數(shù)的上升，從提高頻譜效率的角度出發(fā)，如何在保證吞吐量的前提下最大化單簇中的用戶數(shù)，逐漸成為需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題.本文作者對(duì)NOMA系統(tǒng)下行鏈路中的用戶進(jìn)行分簇，基于系統(tǒng)吞吐量最大化的原則，對(duì)用戶發(fā)射功率進(jìn)行了最優(yōu)分配;基于最優(yōu)功率分配方案，在給定吞吐量最小限值條件下，保證吞吐量最大的同時(shí)，研究了NOMA系統(tǒng)同一頻段中單簇內(nèi)最大用戶數(shù)的優(yōu)化問(wèn)題.

1 系統(tǒng)模型

設(shè)NOMA系統(tǒng)下行鏈路的一個(gè)用戶簇中包含K個(gè)用戶，用戶共享ω個(gè)信道帶寬為B的子信道.基站端根據(jù)用戶通信鏈路的增益進(jìn)行簇內(nèi)用戶間的功率分配，隨后疊加簇內(nèi)用戶的發(fā)射信號(hào).接收機(jī)通過(guò)SIC算法檢測(cè)出各用戶信號(hào).

2 下行鏈路功率分配

設(shè)NOMA系統(tǒng)中請(qǐng)求接入的用戶數(shù)M遠(yuǎn)大于系統(tǒng)可用的子信道數(shù)T，一般將共享同一頻段內(nèi)子信道的用戶稱為一個(gè)用戶簇.采用下列分簇方案.

2.1 用戶分簇

具體步驟為：基站將用戶按照各自鏈路的增益由大到小的順序進(jìn)行排序，并以此作為用戶的序號(hào)，依次為每條子信道分配用戶，將共享同一條子信道的用戶定義為一組，則每組包含T個(gè)用戶。為平衡各用戶簇之間的吞吐量差異，從每組中選擇1個(gè)用戶， 共同構(gòu)成一個(gè)用戶簇，同一組中的用戶均與其他組的用戶形成新的用戶簇，故最終形成T個(gè)用戶簇，每個(gè)簇中包括K個(gè)用戶，第t個(gè)用戶簇βt中包涵的用戶序號(hào)集合為：

2.2 簇內(nèi)用戶間的最佳功率分配

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

4.1 參數(shù)設(shè)置

假設(shè)簇內(nèi)用戶數(shù)為K，共享子信道個(gè)數(shù)ω為5，每個(gè)子信道帶寬B為180 kHz.假設(shè)前K-1個(gè)用戶的歸一化鏈路增益是由大到小間隔為5 dB，當(dāng)?shù)贙個(gè)用戶的歸一化鏈路增益最大值不超過(guò)第K-1個(gè)用戶時(shí)，研究單用戶簇總吞吐量性能.NOMA系統(tǒng)用戶簇的發(fā)射總功率Pt為23 dBm，SIC接收機(jī)處的檢測(cè)閾值Ptol為10 dBm.參考目前關(guān)于5G數(shù)據(jù)傳輸速率最高可達(dá)100 Mbit·s-1的標(biāo)準(zhǔn)，不失一般地，設(shè)系統(tǒng)吞吐量最小限值為10 Mbit·s-1.

4.2 仿真結(jié)果分析

介紹了NOMA系統(tǒng)下行鏈路的用戶分簇和功率分配技術(shù)，研究了單簇用戶數(shù)最大化問(wèn)題.以單用戶簇吞吐量最大值為目標(biāo)函數(shù)，同時(shí)用吞吐量最小限值對(duì)其進(jìn)行約束，得到單簇內(nèi)用戶數(shù)最大的優(yōu)化模型.仿真結(jié)果表明：在給定吞吐量限值下，單用戶簇內(nèi)的用戶數(shù)存在最大值.NOMA系統(tǒng)單用戶簇中用戶數(shù)上限的解析表達(dá)還有待進(jìn)一步研究.

參考文獻(xiàn)：

[1] ISLAM S M R，AVAZOV N，DOBRE O A.Power-domain non-orthogonal multiple access （NOMA） in 5G systems：potentials and challenges [J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2017，19（2）：721-742.

[2] SHAHAB M B，KADER M F，SHIN S Y.On the power allocation of non-orthogonal multiple access for 5G wireless networks [C]//2016 International Conference on Open Source Systems and Technologies.Lahore：IEEE，2016：89-94.

[3] ALI M S，TABASSUM H，HOSSAIN E.Dynamic user clustering and power allocation for uplink and downlink non-orthogonal multiple access （NOMA） systems [J].IEEE Access，2016，4：6325-6343.

[4] WANG C L，CHEN J Y.Power allocation for a downlink non-orthogonal multiple access system [J].IEEE Wireless Communications Letters，2016，5（5）：532-535.

[5] SHAHAB M B，IRFAN M，KADER M F，et al.User pairing schemes for capacity maximization in non-orthogonal multiple access systems [J].Wireless Communications and Mobile Computing，2016，16（17）：2884-2894.

[6] 曹雍，楊振，馮友宏.新的NOMA功率分配策略 [J].通信學(xué)報(bào)，2017，38（10）：157-165.

CAO Y，YANG Z，F(xiàn)ENG Y H.New NOMA power allocation strategy [J].Journal on Communications，2017，38（10）：157-165.

[7] 張德坤.非正交多址系統(tǒng)功率分配及干擾消除算法研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2015.

ZHANG D K.Research on power allocation and interference cancellation algorithms for nonorthogonal multiple access systems [D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.

（責(zé)任編輯：包震宇，顧浩然）