基于單源最優(yōu)路徑的NOMA中繼選擇與協(xié)作傳輸

陸 音, 汪高瑜, 楊楚瀛, 楊凌青, 趙 坤, 朱洪波

(1. 南京郵電大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)學(xué)院, 江蘇 南京 210003; 2. 南京郵電大學(xué)寬帶無線通信與傳感網(wǎng)技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210003; 3. 南京郵電大學(xué)江蘇省無線通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 江蘇 南京 210003)

0 引 言

隨著第五代移動通信(the 5th generation, 5G)的商用，無線數(shù)據(jù)流量呈現(xiàn)指數(shù)式增長。手機(jī)用戶將不再僅滿足于一些簡單的數(shù)據(jù)傳輸，視頻和網(wǎng)絡(luò)直播已經(jīng)成為移動流量的主要形式，這都依賴于5G技術(shù)的大帶寬和低時延。但是在用戶量太大的情況下，5G系統(tǒng)會出現(xiàn)傳輸質(zhì)量較差和傳輸速率慢的問題。

協(xié)作多播技術(shù)于上世紀(jì)80年代出現(xiàn)，一開始被應(yīng)用于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)中。在通信領(lǐng)域，協(xié)作多播是基站對多個終端用戶或者終端用戶對多個終端用戶的信息傳輸。協(xié)作多播技術(shù)可以降低區(qū)域內(nèi)單基站的壓力，將其分擔(dān)給下行用戶，信息傳輸借由下行鏈路中的基站或者終端用戶來實(shí)現(xiàn)。文獻(xiàn)[1]介紹了基于解碼轉(zhuǎn)發(fā)(decoding forward, DF)策略的頻譜共享型中繼通信。文獻(xiàn)[2]介紹了MAP轉(zhuǎn)發(fā)型協(xié)作通信的中繼選擇策略。針對節(jié)點(diǎn)分配問題，文獻(xiàn)[3]基于順序固定的節(jié)點(diǎn)調(diào)度算法進(jìn)行研究，該算法可大大減少計(jì)算時間并獲得接近最佳的解決方案。

區(qū)別于第四代移動通信(the 4th generation, 4G)使用的正交頻分復(fù)用技術(shù)(orthogonal frequency division multiplexing, OFDM)，5G使用非正交多址接入(non-orthogonal multiple access, NOMA)技術(shù)，NOMA可以提高頻譜效率和用戶接入量。文獻(xiàn)[4]結(jié)合毫米波信號傳輸對5G的NOMA系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證，提出有效的黃金分割搜索(golden section search, GSS)算法，用以解決功率分配和功率域復(fù)用問題。文獻(xiàn)[5]介紹了NOMA上行與下行鏈路的功率分配問題。文獻(xiàn)[6]對認(rèn)知型NOMA系統(tǒng)進(jìn)行了理論驗(yàn)證，提出基于放大轉(zhuǎn)發(fā)(amplifying forward, AF)的認(rèn)知多用戶中繼協(xié)作NOMA系統(tǒng)，該系統(tǒng)比基于DF的系統(tǒng)具有更好的中斷性能。文獻(xiàn)[7]提出了上行鏈路信號的全雙工傳輸方式，基于中斷概率分析了中繼NOMA系統(tǒng)性能，證明該系統(tǒng)能夠達(dá)到更低的中斷概率。文獻(xiàn)[8]將NOMA和協(xié)作多播結(jié)合，提出了NOMA下行鏈路中的功率分配模型。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]對NOMA協(xié)作通信在5G和認(rèn)知無線電系統(tǒng)中的可行性進(jìn)行了論證。

現(xiàn)有的協(xié)作多播技術(shù)是根據(jù)誤碼率或者中斷概率尋找單中繼，一旦系統(tǒng)遭遇到中繼用戶無法滿足需求的時候，必須重新進(jìn)行中繼選擇，這會降低系統(tǒng)容錯性和靈活性。文獻(xiàn)[11]提出一種協(xié)調(diào)直接中繼傳輸?shù)腘OMA傳輸模型，論證了直接NOMA中繼傳輸?shù)目煽啃?。文獻(xiàn)[12]提出了能量效率型NOMA中繼傳輸模型，討論了中繼用戶傳輸?shù)闹袛喔怕?。文獻(xiàn)[13]引入疊加碼，即在發(fā)送端構(gòu)造疊加碼轉(zhuǎn)發(fā)信號。文獻(xiàn)[14]將NOMA編碼和協(xié)作傳輸相結(jié)合，基于系統(tǒng)中斷概率進(jìn)行仿真分析，驗(yàn)證了NOMA協(xié)作傳輸系統(tǒng)模型的可靠性，但是該中繼選擇策略的前提是中繼用戶集合是隨機(jī)的，并沒有主動去尋找信道條件良好的中繼用戶，這樣會降低系統(tǒng)可靠性，增大編解碼信號發(fā)生中斷的概率。文獻(xiàn)[15]給出了在NOMA協(xié)作傳輸系統(tǒng)里中繼用戶和次級用戶理論上能夠達(dá)到的分集增益。

非機(jī)會式NOMA協(xié)作傳輸?shù)幕舅枷胧峭ㄟ^多個解碼成功用戶向解碼失敗用戶轉(zhuǎn)發(fā)信息，提高解碼失敗用戶的接收信噪比(signal to noise ratio, SNR)。非機(jī)會式NOMA協(xié)作傳輸通過建立中繼用戶組、構(gòu)造相應(yīng)的轉(zhuǎn)發(fā)信號和調(diào)度用戶的轉(zhuǎn)發(fā)順序，來提高所有用戶的分集增益。在高用戶密度場景，系統(tǒng)無線資源相對匱乏時，為降低用戶接入等待時間，提高系統(tǒng)吞吐量，可考慮采用非機(jī)會式NOMA協(xié)作傳輸方案。

本文在文獻(xiàn)[6]和文獻(xiàn)[15]的基礎(chǔ)上，應(yīng)用非機(jī)會式NOMA協(xié)作傳輸方案，提出一種基于單源最優(yōu)路徑的中繼選擇策略，通過主動選擇可用中繼用戶，降低中斷概率，同時保證未成功解碼信號的次級用戶通過中繼用戶再次接收信號，達(dá)到區(qū)域內(nèi)NOMA通信網(wǎng)絡(luò)的全覆蓋。

1 系統(tǒng)模型

圖1 NOMA中繼協(xié)作傳輸模型Fig.1 Cooperative NOMA relay transmission model

2 中繼選擇策略和協(xié)作傳輸方法

本文所提算法是由蟻群算法改進(jìn)的單源最優(yōu)路徑算法。在保證所有用戶都能成功接收所需信號的前提下，依據(jù)路徑選擇方法，挑選若干用戶建立中繼用戶組進(jìn)行協(xié)作通信。

2.1 中繼選擇策略

將中繼節(jié)點(diǎn)之間的信道條件作為路徑參數(shù)，以基站作為源節(jié)點(diǎn)，選定目標(biāo)節(jié)點(diǎn)，從源節(jié)點(diǎn)開始尋找通路，即最優(yōu)傳輸通路，并把信道最優(yōu)傳輸通路上所有節(jié)點(diǎn)作為協(xié)作傳輸?shù)闹欣^節(jié)點(diǎn)的集合。不同于傳統(tǒng)的協(xié)作傳輸方式，本文所提算法可以消除無用路徑的影響。無用路徑是無法到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的路徑，低質(zhì)量傳輸通路數(shù)量會隨無用路徑數(shù)量的減少而減少。最終目標(biāo)節(jié)點(diǎn)會從中繼節(jié)點(diǎn)處接收到有用信號。在此過程中，中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)生中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程，但是無需中繼協(xié)作也可直接接收基站發(fā)送信號；目標(biāo)節(jié)點(diǎn)不會發(fā)生中繼轉(zhuǎn)發(fā)過程，且只能通過中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)獲得所需信號。

在中繼選擇過程中，用信號傳輸跳數(shù)、信號條件均值和方差來衡量可達(dá)路徑的好壞程度。假設(shè)有一條從基站到選定目標(biāo)用戶的通路，經(jīng)過個中繼用戶，過程中有+1傳輸跳數(shù)，每一跳傳輸?shù)男诺罈l件為，均值和方差為

(1)

(2)

如果均值較大，表明傳輸通路整體信道條件較好；如果方差較小，表明傳輸通路內(nèi)各段信道條件好壞差距不大，避免出現(xiàn)極端情況，即整體信道條件較好但某一條路徑的信道條件特別差甚至?xí)霈F(xiàn)中斷；如果跳數(shù)較少，則經(jīng)過的中繼用戶較少，可以降低系統(tǒng)開銷和傳輸時間。

最優(yōu)傳輸通路選擇方法為：在所有路徑中選擇均值大于均值閾值的傳輸通路形成第一備選路徑集；在第一備選路徑集中選擇方差小于方差閾值的傳輸通路形成第二備選路徑集；在第二備選路徑集中選擇跳數(shù)最少的傳輸通路作為最優(yōu)傳輸通路。

基于單源最優(yōu)路徑的中繼選擇策略如圖2所示，步驟如下。

圖2 中繼選擇策略Fig.2 Relay selection strategy

判斷信道參數(shù)是否配置完成,如果配置未完成，進(jìn)行步驟3；否則轉(zhuǎn)到步驟6；

基站合成測試信號()，以廣播方式向區(qū)域內(nèi)所有用戶發(fā)送信號，所有用戶接收信號，基站找出能與BS實(shí)現(xiàn)成功傳輸?shù)挠脩簦?/p>

以基站作為源節(jié)點(diǎn)，選定目標(biāo)用戶，中繼用戶進(jìn)行廣播，直至到達(dá)目標(biāo)用戶，信道條件較好的路徑會被用戶優(yōu)先選擇，而信道條件較差的路徑被放棄并被用戶認(rèn)定為無用路徑；

目標(biāo)用戶記錄信道參數(shù)并回傳給基站，信道參數(shù)包括可選通路、跳數(shù)、均值和方差，轉(zhuǎn)到步驟2；

去除無用路徑，基站到目標(biāo)用戶之間形成若干條通路；

基站比較各條通路的信道參數(shù)，選取一條較大、較小且傳輸跳數(shù)較少的通路，該通路由中繼用戶組成員(=1,2,…,)組成，通路上所有中繼用戶根據(jù)路徑進(jìn)行協(xié)作傳輸。

2.2 協(xié)作傳輸方法

NOMA在功率域上可以自行決定給每個用戶信號的功率分配因子數(shù)值，并將用戶信號調(diào)制成疊加碼。由于不同的參數(shù)分配對應(yīng)不同的信道情況，所以NOMA協(xié)作通信具有自適應(yīng)性。串行干擾消除的關(guān)鍵在于疊加碼在解碼前要進(jìn)行功率判決，按照用戶信號功率由大到小的順序進(jìn)行解碼。中繼用戶采用SIC技術(shù)解碼，剔除所需信號，進(jìn)行協(xié)作傳輸。

基于NOMA的協(xié)作傳輸方法如圖3所示，步驟如下。

圖3 協(xié)作傳輸方法Fig.3 Cooperative transmission method

基站以廣播的形式發(fā)送測試信號，采用基于單源最優(yōu)路徑算法的中繼選擇策略尋找由中繼用戶組成的傳輸通路；

基站為每一個中繼用戶調(diào)制所需信號()，所有次級用戶信號合成為()，再與中繼用戶信號合成為疊加碼()，并以給定發(fā)射功率發(fā)送，傳輸通路的下一個中繼用戶接收疊加碼()；

中繼用戶成功接收疊加碼()，采用SIC技術(shù)進(jìn)行解碼，得到所有子信號，剔除該中繼用戶所需信號()，將剩余的信號再調(diào)制成新疊加碼，傳輸通路的下一個中繼用戶接收新疊加碼，重復(fù)步驟3，直至到達(dá)傳輸通路的最后一個中繼用戶；

最后一個中繼用戶解碼出自己所需信號和次級用戶所需信號()，將()發(fā)送給選定為目標(biāo)用戶的次級用戶，次級用戶采用SIC技術(shù)對()進(jìn)行解碼。

3 性能分析

3.1 協(xié)作傳輸和解碼

假設(shè)中繼用戶需要接收的有用信號為()，將-個次級用戶信號進(jìn)行編碼并合并為一個信號編碼()。采用NOMA傳輸方式，對發(fā)送信號進(jìn)行功率分配，信道條件越好，所得到的發(fā)射功率越小，即用較大的發(fā)射功率彌補(bǔ)較差的信道條件。假設(shè)傳輸信道的噪聲是均值為0、方差為的高斯白噪聲，表示為()。整個傳輸過程有+1個時隙，設(shè)為第個時隙。在時隙處基站構(gòu)造疊加碼()如下：

(3)

第一階段為中繼用戶協(xié)作傳輸和解碼的過程，總共有個時隙。在時隙處，中繼用戶通過SIC解調(diào)疊加碼()，得到自己需要的信號()，然后剔除該信號。根據(jù)香農(nóng)定理，得出解碼()的SNR為

(4)

式中：,為協(xié)作傳輸過程中基站到中繼用戶的信道條件。在時隙-1處，通過SIC解調(diào)疊加碼(-1)，得到自己需要的信號-+1(-1)并剔除該信號，將剩余信號構(gòu)造疊加碼()轉(zhuǎn)發(fā)給+1，()表示如下：

(5)

在時隙處，中繼用戶+1通過SIC解碼()得到-()，此信號即是用戶需要的有用信號。根據(jù)香農(nóng)定理，得出+1解碼信號()的SNR為

(6)

式中：,為中繼用戶和之間的信道條件。

+1解碼信號()的總SNR為

(7)

式中：[,, …,]表示最大合并比的信號合成方式，可表示為

(8)

(9)

(10)

(11)

3.2 可靠性分析

321 中繼用戶的可靠性分析

(12)

由式(12)可以推導(dǎo)得到：

(13)

采用圖2所示的中繼選擇策略，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生中斷時，可以認(rèn)為只有最后一個成功接收信號的用戶發(fā)生中斷(因?yàn)楹竺娴挠脩魧@個系統(tǒng)已經(jīng)不產(chǎn)生影響)。由式(13)可以推導(dǎo)出

(14)

當(dāng)信道發(fā)生中斷，信道增益起負(fù)作用。假設(shè)基站與中繼用戶信道的信道增益閾值為，中繼用戶之間信道的信道增益閾值為，和分別為,和,的均值。根據(jù)排序統(tǒng)計(jì)和概率統(tǒng)計(jì)理論，可得式(13)中各部分因子的上界為

(15)

(16)

由式(14)～式(16)可以推導(dǎo)出:

(17)

由式(17)可得，中繼用戶的分集增益為。

322 次級用戶的可靠性分析

(18)

(19)

由式(19)可以推導(dǎo)出:

(20)

由式(20)可得，次級用戶的分集增益為。

3.3 系統(tǒng)復(fù)雜度分析

文獻(xiàn)[6]的中繼選擇方式為隨機(jī)中繼選擇，而本文采用基于單源最優(yōu)路徑的NOMA中繼選擇策略，尋找出一條信道參數(shù)較好的通路，各用戶通過SIC解碼得到所需信號，實(shí)現(xiàn)NOMA協(xié)作通信的可靠傳輸。本文所提策略的系統(tǒng)復(fù)雜度分析如下。

3.3.1 通信開銷

基站發(fā)送測試信號1次，各中繼用戶廣播信號共次，中繼用戶接收其他中繼信號處理次。協(xié)作傳輸?shù)诙A段有并行傳輸和串行傳輸兩種預(yù)選方案。若采用并行傳輸，次級用戶接收選定中繼用戶信號為-次；若采用串行傳輸，選定中繼用戶和次級用戶發(fā)射信號為-次，次級用戶接收信號為-次。

并行傳輸優(yōu)于串行傳輸，所以本文采用并行傳輸，系統(tǒng)通信開銷為3-+1。

332 計(jì)算開銷

各中繼用戶設(shè)置協(xié)作網(wǎng)絡(luò)信道質(zhì)量參數(shù)的開銷為，基站通過預(yù)設(shè)參數(shù)尋找最優(yōu)通路的開銷為，次級用戶沒有計(jì)算開銷，因此系統(tǒng)計(jì)算開銷為2。

333 信號處理開銷

選定最優(yōu)通路后，第一個中繼用戶利用SIC解碼次，其中=，即解碼信號數(shù)量和中繼數(shù)量保持一致，之后的每個中繼用戶依次減少一個，因此中繼用戶總信號處理開銷為(+1)2；在協(xié)作傳輸?shù)诙A段，為了降低通信系統(tǒng)復(fù)雜度未使用協(xié)作傳輸，第一個次級用戶解碼得到所需信號利用SIC解碼-次，之后的次級用戶依次減少1次，因此次級用戶總信號處理開銷為(-)(-+1)2，其中-<2。

由以上分析可知，單源最優(yōu)路徑算法的系統(tǒng)復(fù)雜度為

(21)

4 仿真結(jié)果與分析

4.1 仿真參數(shù)

仿真采用的信道模型為頻率選擇瑞利衰落信道，按照固定功率分配法對用戶進(jìn)行功率分配，基站和用戶間的信道條件按照降序隨機(jī)生成，用戶均勻分布于一個封閉區(qū)域，損耗系數(shù)大小與距離相關(guān)，載波條件均相同。仿真參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)仿真參數(shù)

4.2 仿真分析

圖4為NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)中繼用戶中斷概率與總SNR的關(guān)系。由圖4可知，在同等和的情況下，隨著SNR的增大，本文所提算法的中斷概率曲線下降趨勢較快。與基于AF的NOMA中繼傳輸相比，本文所提算法的中繼用戶中斷概率更小，這是因?yàn)楸疚乃崴惴軌虮ＷC中繼用戶之間不會有較差的信道條件，從整體上降低了系統(tǒng)的中斷概率。由圖4可見，4用戶3中繼的曲線比4用戶2中繼的曲線下降趨勢更快。在總用戶數(shù)量相同的情況下，隨著中繼數(shù)量的增多，NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)的系統(tǒng)性能更好，中繼用戶中斷概率大大降低。

圖4 中繼用戶性能比較Fig.4 Comparison of relay user performance

圖5為NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)中次級用戶中斷概率與總SNR的關(guān)系。由圖5可知，在同等和的情況下，隨著SNR的增大，本文所提算法的中斷概率曲線下降趨勢更快。與基于AF的NOMA中繼傳輸相比，本文所提算法的次級用戶中斷概率更小，這是因?yàn)榇渭売脩舨荒艹晒邮栈景l(fā)送的信號，所以通過中繼用戶實(shí)現(xiàn)傳輸，在保證中繼用戶中斷概率降低的情況下，次級用戶的中斷概率也會下降。由圖5可見，4用戶3中繼曲線比4用戶2中繼曲線的下降趨勢更快。在總用戶數(shù)量相同的情況下，隨著中繼數(shù)量的增多，NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)的系統(tǒng)性能更好，次級用戶的中斷概率顯著降低。

圖5 次級用戶性能比較Fig.5 Comparison of secondary user performance

圖6為NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)中系統(tǒng)復(fù)雜度與中繼用戶數(shù)量的關(guān)系。由圖6可知，隨著中繼用戶數(shù)量增加，本文所提算法的算法復(fù)雜度比已基于AF的算法更具優(yōu)勢。當(dāng)中繼數(shù)量達(dá)到80時，本文所提算法的算法復(fù)雜度比基于AF的算法降低了47.2%?？梢?，在用戶數(shù)量較多的情況下，本文所提算法能有效降低系統(tǒng)復(fù)雜度。

圖6 系統(tǒng)復(fù)雜度比較Fig.6 Comparison of system complexity

5 結(jié)束語

本文基于NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)模型，研究了中繼用戶路徑選擇優(yōu)化問題，提出一種基于單源最優(yōu)路徑的NOMA中繼選擇策略。該策略利用信道條件配置信道參數(shù)，基于信道參數(shù)尋找最優(yōu)路徑，在路徑選擇過程中通過消除無用路徑以減少低質(zhì)量可用通路數(shù)量。在非機(jī)會式NOMA系統(tǒng)中，基于所提中繼選擇策略，提出新的NOMA中繼協(xié)作傳輸方案。該方案保證被選擇傳輸通路上所有用戶之間的信道條件較好，提高了NOMA中繼協(xié)作系統(tǒng)的可靠性。仿真結(jié)果表明，所提方案在滿足最大分集增益的前提下，中繼用戶和次級用戶的中斷概率下降，隨著中繼用戶數(shù)量增加，系統(tǒng)復(fù)雜度降低，系統(tǒng)整體性能會進(jìn)一步提高。