基于非正交多址的電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)技術(shù)研究

鄭偉軍，儲(chǔ)建新，程振杰

（1.國(guó)網(wǎng)浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；2.北京郵電大學(xué)，北京 100876）

0 引言

隨著我國(guó)工業(yè)化和信息化融合的不斷深入，無(wú)線(xiàn)電頻譜供需矛盾日益凸顯。一方面隨著新興無(wú)線(xiàn)通信業(yè)務(wù)的不斷發(fā)展，頻譜資源日趨緊張。另一方面，已有的低效遺留系統(tǒng)頻譜資源利用效率低下，難以改造。國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)1991年5 號(hào)文規(guī)定了將223.025～235.000 MHz 頻段（以下簡(jiǎn)稱(chēng)230 MHz 頻段）劃分為480 個(gè)頻點(diǎn)，在每個(gè)25 kHz 頻點(diǎn)，傳統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)僅提供9.6 kbps 的傳輸速率[1]，無(wú)法滿(mǎn)足智能電網(wǎng)等新興業(yè)務(wù)高速傳輸?shù)男枨?。?jīng)過(guò)近十年的研發(fā)與網(wǎng)絡(luò)示范，基于LTE 技術(shù)的LTE-G 230 系統(tǒng)已通過(guò)國(guó)家工業(yè)與信息化部相關(guān)部門(mén)鑒定。國(guó)家無(wú)線(xiàn)電管理委員會(huì)于2018 年9 月下發(fā)工信部無(wú)〔2018〕165號(hào)文件，調(diào)整了LTE-G 230 系統(tǒng)中223～226 MHz和229～233 MHz 頻段的使用規(guī)劃：“為滿(mǎn)足電力、燃?xì)狻⑷朔?、水?wù)等行業(yè)無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和能源互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用需求，將該頻段用于采用TDD（時(shí)分雙工）方式載波聚合、動(dòng)態(tài)頻譜共享技術(shù)的無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)”，同時(shí)“鼓勵(lì)相關(guān)行業(yè)部門(mén)采用共網(wǎng)模式使用223～226 MHz 和229～233 MHz 頻段；建網(wǎng)單位應(yīng)按照公平合理負(fù)擔(dān)和節(jié)約資源的原則，為共網(wǎng)部門(mén)、單位提供可靠、高質(zhì)量的業(yè)務(wù)和應(yīng)用服務(wù)”。

當(dāng)前電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)無(wú)法滿(mǎn)足電力物聯(lián)網(wǎng)未來(lái)大規(guī)模萬(wàn)物互聯(lián)的需求。傳統(tǒng)正交多址接入方案中，可用正交資源的數(shù)量嚴(yán)格限制了可支持用戶(hù)的最大數(shù)量。諸如電力物聯(lián)網(wǎng)這種大規(guī)模連接時(shí)，正交多址接入已經(jīng)嚴(yán)重限制了系統(tǒng)容量。比如，在當(dāng)前的LTE-G 230 系統(tǒng)中，用于標(biāo)識(shí)一個(gè)終端用戶(hù)的小區(qū)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)臨時(shí)標(biāo)識(shí)長(zhǎng)度為7 bit，理論上一個(gè)25 kHz 頻點(diǎn)上僅可以標(biāo)識(shí)128 個(gè)用戶(hù)。而3GPP Rel 15 定義的mMTC 業(yè)務(wù)需要在一平方公里范圍可接入一百萬(wàn)終端[2]?？梢钥闯?，當(dāng)前LTE-G 230 系統(tǒng)的容量與智能電網(wǎng)應(yīng)用需求存在巨大落差，此問(wèn)題必須得到有效解決。

同時(shí)，快速發(fā)展的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和IoT（物聯(lián)網(wǎng)）導(dǎo)致了對(duì)5G（第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)）的挑戰(zhàn)性要求，NOMA（非正交多址接入）已成為設(shè)計(jì)第五代無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)接入技術(shù)的重要原則[3]，是下一代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的候選技術(shù)之一[4]。

理論上已表明，NOMA 可以提供更好的系統(tǒng)容量和頻譜效率[5]，特別適合這種海量機(jī)器類(lèi)業(yè)務(wù)場(chǎng)景。與OMA（正交多址）技術(shù)相比，NOMA 允許大量用戶(hù)同時(shí)連接到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)。同時(shí)，已經(jīng)證明了NOMA 在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的上行鏈路和下行鏈路上可以比OMA 實(shí)現(xiàn)更大的總吞吐量和更高的公平性。

1 非正交多址技術(shù)

NOMA 方案基本上可以分為兩類(lèi)： 功率域NOMA 和碼域NOMA。在功率域NOMA 中，不同的用戶(hù)根據(jù)其信道質(zhì)量被分配不同的功率電平，而相同的時(shí)頻碼資源在多個(gè)用戶(hù)之間共享。在接收機(jī)端，功率域NOMA 利用用戶(hù)的功率差異，以便基于SIC（連續(xù)干擾消除）來(lái)區(qū)分不同的用戶(hù)[6-7]。對(duì)于功率域NOMA，當(dāng)前研究熱點(diǎn)在于多用戶(hù)功率分配[8]、NOMA 與MIMO（多輸入多輸出）系統(tǒng)的結(jié)合[9]、多小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中NOMA 系統(tǒng)[10]和用戶(hù)配對(duì)[11]等問(wèn)題。用戶(hù)配對(duì)技術(shù)對(duì)功率域NOMA系統(tǒng)性能影響較大。

用戶(hù)配對(duì)技術(shù)是影響NOMA 系統(tǒng)性能的重要因素。在NOMA 中，用戶(hù)配對(duì)和用戶(hù)之間的最佳功率分配需要復(fù)雜的算法，以使用最少的資源來(lái)提供最佳性能[12]。Zhang H 等人研究了NOMA異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的能量效率問(wèn)題，并指出配對(duì)問(wèn)題是一個(gè)有挑戰(zhàn)的關(guān)鍵問(wèn)題[13]。Shahab M B 等人分析了蜂窩網(wǎng)里遠(yuǎn)端用戶(hù)比近端用戶(hù)多的場(chǎng)景下用戶(hù)配對(duì)策略，以?xún)?yōu)化使用頻譜獲取最大頻譜效率[14]。Yang Z 等人研究了下行NOMA 系統(tǒng)的功率控制和每個(gè)子載波上的用戶(hù)分簇問(wèn)題，綜合考慮系統(tǒng)的發(fā)送功率和譯碼功率，以達(dá)到最小化功率消耗的目的[15]。Cheng Y 等人研究了多信道多用戶(hù)NOMA 系統(tǒng)中聯(lián)合用戶(hù)配對(duì)和子信道分配策略，以最小化用戶(hù)的中斷概率[16]。Zhang X Y 等人提出了基于爬山搜索和模擬退火的方法用于用戶(hù)配對(duì)[17]。Liang W 等人在下行NOMA 網(wǎng)絡(luò)中提出了一種分布式匹配算法，旨在根據(jù)用戶(hù)的目標(biāo)速率要求優(yōu)化弱用戶(hù)和強(qiáng)用戶(hù)之間的用戶(hù)配對(duì)和功率分配，并設(shè)計(jì)了一種使用自適應(yīng)Turbo 網(wǎng)絡(luò)編碼調(diào)制方案，提高了系統(tǒng)吞吐量[18]。Daniel K.C.So等人提出了一種垂直配對(duì)的概念和分級(jí)的功率匹配過(guò)程，將用戶(hù)分為兩組，從而應(yīng)用封閉形式的功率分配解決方案[19]。Zhu L 等人研究了下行NOMA 系統(tǒng)聯(lián)合用戶(hù)配對(duì)和功率分配問(wèn)題，給出了保證用戶(hù)最小速率條件下最大化系統(tǒng)速率的方法[20]。

以上這些研究基本上是在5G 高頻段情況下開(kāi)展的研究。230 MHz 電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)使用的是窄帶離散頻段。對(duì)于230 MHz 電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)如何利用非正交多址技術(shù)，當(dāng)前仍沒(méi)有文獻(xiàn)進(jìn)行論述。

2 網(wǎng)絡(luò)模型與問(wèn)題描述

2.1 網(wǎng)絡(luò)模型

本文研究在230 MHz 電力無(wú)線(xiàn)專(zhuān)網(wǎng)中的多用戶(hù)終端接入問(wèn)題?？紤]到接入時(shí)每個(gè)終端必須具有最低數(shù)據(jù)速率的QoS（服務(wù)質(zhì)量）需求，對(duì)NOMA 網(wǎng)絡(luò)下行鏈路傳輸過(guò)程中用戶(hù)配對(duì)和功率分配的問(wèn)題進(jìn)行了建模。

考慮一個(gè)小區(qū)中有一個(gè)BS（基站）和N 個(gè)隨機(jī)分布的用戶(hù)的下行鏈路蜂窩網(wǎng)絡(luò)。單個(gè)基站將信號(hào)發(fā)送到由Nuser={1，2，…，N}表示的一組移動(dòng)用戶(hù)，基站和用戶(hù)均裝備一根天線(xiàn)（即單輸入單輸出模型），基站和用戶(hù)間的信道條件為平坦衰落信道。系統(tǒng)共有K 個(gè)子信道，每個(gè)子信道的帶寬由B 表示?；镜目偘l(fā)射功率為ptot，每個(gè)子信道分配的功率為pk，以發(fā)射功率向第k 個(gè)子信道上中第n 個(gè)用戶(hù)發(fā)送信息sk，n，設(shè)有mmax個(gè)用戶(hù)復(fù)用在子信道k 上，則BS 在第k 個(gè)子信道上發(fā)送的疊加后的信號(hào)為：

式中： xk，n為1 時(shí)表示用戶(hù)n 分配在子信道k 上，為0 則表示用戶(hù)n 未分配在子信道k 上。因此，在第k 個(gè)子信道上，用戶(hù)n 接收的信號(hào)可表示為：

式中： 第k 個(gè)子信道上的用戶(hù)n 與BS 之間的信道增益系數(shù)hk，n=gPL-1（d）；g 為平坦衰落信道增益；d 為用戶(hù)n 與基站之間的距離；PL（g）代表路徑損耗函數(shù)；Ni表示加性高斯白噪聲。在接收端，采用SIC 技術(shù)，對(duì)用戶(hù)逐個(gè)進(jìn)行判決，進(jìn)行幅度恢復(fù)后，將該用戶(hù)信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾從接收信號(hào)中減去，再對(duì)剩下的用戶(hù)再次進(jìn)行判決，這樣循環(huán)操作，直至消除所有的多址干擾。

根據(jù)香農(nóng)公式，用戶(hù)n 在第k 個(gè)子信道上的吞吐量為：

式中： N0表示噪聲的功率譜密度；代表在第k 個(gè)子信道上，比用戶(hù)n 具有較高信道增益的其他復(fù)用用戶(hù)對(duì)用戶(hù)n 的干擾。則子信道k 中的總吞吐量可表示為：

2.2 優(yōu)化問(wèn)題描述

本文研究是為在保證用戶(hù)最低數(shù)據(jù)速率的QoS 需求下，最大化系統(tǒng)頻譜效率問(wèn)題，目標(biāo)函數(shù)可表示為：

式中： 約束條件1 和2 對(duì)用戶(hù)分配的功率進(jìn)行了限制；約束條件3 保證了復(fù)用在子信道上的用戶(hù)數(shù)最大為mmax；約束條件4 規(guī)定了每個(gè)用戶(hù)最低數(shù)據(jù)速率的QoS 需求。

3 基于匹配理論的用戶(hù)配對(duì)方案

匹配理論是一種有效的技術(shù)，可以通過(guò)使用參與者的個(gè)人信息和他們的偏好情況來(lái)解決在兩個(gè)不同集合中的玩家的匹配組合問(wèn)題，目前已有很多從理論和實(shí)踐的角度分析雙邊穩(wěn)定匹配問(wèn)題的研究。

為減少SIC 接收機(jī)解碼的復(fù)雜度，本文在測(cè)試驗(yàn)證時(shí)，每個(gè)子信道上最多可復(fù)用2 個(gè)用戶(hù)，即mmax=2。在NOMA 場(chǎng)景下，在一個(gè)子信道中，設(shè)功率分配因子為α（α 的取值范圍應(yīng)為[0，1]），信道條件較好的用戶(hù)1 的速率為R1，與基站的距離為d1，則其發(fā)送功率為αpk，信道條件較差的用戶(hù)2 的速率為R2，與基站的距離為d2，則其發(fā)送功率為（1-α）pk。

記用戶(hù)1 和用戶(hù)2 的和速率為R，即R=R1+R2，R 是關(guān)于變量α的表達(dá)式，令R 對(duì)α 進(jìn)行求導(dǎo)：

假設(shè)N 個(gè)在基站周?chē)S機(jī)分布的用戶(hù)，計(jì)算每個(gè)用戶(hù)的信道狀態(tài)信息，根據(jù)信道條件進(jìn)行降序排序，將N 個(gè)用戶(hù)分為多個(gè)2 用戶(hù)集群，信道條件優(yōu)的用戶(hù)集群由Sstrong集表示，而信道條件差的用戶(hù)集群由Sweak集表示，以此構(gòu)建二分圖。在保證用戶(hù)最低速率QoS 的前提下，依次計(jì)算Sstrong集和Sweak集中的用戶(hù)兩兩配對(duì)時(shí)的功率分配情況（即α 值）及二者的和速率最大值。使用KM 算法作為配對(duì)的規(guī)則，以?xún)捎脩?hù)的和速率作為二分圖中邊的權(quán)重值，確定最終Sstrong集和Sweak集中的用戶(hù)配對(duì)結(jié)果，使得最終的系統(tǒng)頻譜效率達(dá)到最大。

為簡(jiǎn)化子信道間功率分配，本文將基站總功率平均分配給K 個(gè)子信道，則每個(gè)子信道k 上復(fù)用的用戶(hù)功率之和為pk=ptot/K。

4 仿真與結(jié)果分析

4.1 仿真參數(shù)

本文考慮具有單基站的小區(qū)，基站和用戶(hù)均裝備單根天線(xiàn)，基站和用戶(hù)間的信道條件為平坦衰落信道，N 個(gè)用戶(hù)隨機(jī)分布在距離基站50～5 000 m 的位置，每個(gè)子信道的帶寬為25 kHz。假設(shè)總的用戶(hù)數(shù)N 為偶數(shù)。若N 為奇數(shù)，則某個(gè)子信道上只有一個(gè)用戶(hù)。子信道的數(shù)目為N/2。仿真參數(shù)如表1 所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)參數(shù)

4.2 結(jié)果分析

根據(jù)國(guó)家工信部無(wú)〔2018〕5 號(hào)文件要求，230 MHz 基站每端口每載波輸出功率不高于30 dBm/25 kHz，每端口輸出功率不高于44 dBm。先評(píng)估10 個(gè)終端用戶(hù)在不同發(fā)射功率下的頻譜效率，再評(píng)估基站總功率44 dBm 時(shí)不同終端數(shù)下的頻譜效率。所有仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果均在單小區(qū)內(nèi)，用戶(hù)隨機(jī)分布，獨(dú)立進(jìn)行100 次測(cè)試后獲得平均值，以獲得統(tǒng)計(jì)結(jié)果。

用戶(hù)最小數(shù)據(jù)速率為20 kbps 時(shí)的仿真結(jié)果如圖1 所示，用戶(hù)最小數(shù)據(jù)速率為30 kbps 時(shí)的仿真結(jié)果如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)中，終端數(shù)為10 個(gè)。采用NOMA 技術(shù)的終端每?jī)蓚€(gè)配對(duì)，工作在同一個(gè)25 kHz 頻點(diǎn)上，共使用125 kHz 頻帶。采用OMA 的終端單獨(dú)占用一個(gè)頻點(diǎn)，共使用250 kHz頻帶。基站發(fā)射功率在各頻點(diǎn)平均分配。從圖1和圖2 可以看出，隨著發(fā)射功率的增加，基站下行容量持續(xù)增長(zhǎng)。但頻譜效率方面，采用NOMA技術(shù)的終端始終高于采用OMA 技術(shù)的系統(tǒng)。

圖1 頻譜效率（10 用戶(hù)，最小速率要求為20 kbps）

圖2 頻譜效率（10 用戶(hù)，最小速率要求為30 kbps）

當(dāng)固定基站發(fā)射總功率為44 dBm 時(shí)，隨著用戶(hù)數(shù)的增加，用戶(hù)最小數(shù)據(jù)速率需求為20 kbps 時(shí)系統(tǒng)頻譜效率的比較情況如圖3 所示，用戶(hù)最小數(shù)據(jù)速率需求為30 kbps 時(shí)系統(tǒng)頻譜效率的比較情況如圖4 所示。采用NOMA 技術(shù)的230 MHz 通信系統(tǒng)，在頻譜效率方面遠(yuǎn)高于采用OMA技術(shù)的系統(tǒng)。需要說(shuō)明的是，當(dāng)終端數(shù)增加后，單個(gè)載波上分配的發(fā)送功率下降，造成頻譜效率的降低。在終端數(shù)持續(xù)增加超過(guò)230 MHz 頻帶的可用頻點(diǎn)數(shù)時(shí)，采用OMA 方式的系統(tǒng)需要采用時(shí)分復(fù)用方式。而使用NOMA 技術(shù)的通信系統(tǒng)，在復(fù)用維度上增加了功率域復(fù)用，支撐用戶(hù)數(shù)將呈倍數(shù)增加。如果在一個(gè)頻點(diǎn)上復(fù)用更多用戶(hù)，支持用戶(hù)數(shù)將成比例倍增。當(dāng)然，這將對(duì)SIC 技術(shù)的復(fù)雜性提出更高的要求。

圖3 頻譜效率（基站功率44 dBm，最小速率要求為20 kbps）

圖4 頻譜效率（基站功率44 dBm，最小速率要求為30 kbps）

5 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)下行鏈路NOMA 系統(tǒng)，在LTE-G 230 系統(tǒng)的環(huán)境下，提出基于匹配理論的用戶(hù)配對(duì)方案，實(shí)現(xiàn)用戶(hù)與用戶(hù)配對(duì)，并能保證用戶(hù)最低速率的QoS 需求，同時(shí)，與傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)相比，可以為L(zhǎng)TE-G 230 系統(tǒng)提供更好的頻譜效率，有利于當(dāng)前LTE-G 230 系統(tǒng)應(yīng)對(duì)電力物聯(lián)網(wǎng)海量用戶(hù)應(yīng)用的需求。