NOMA 系統(tǒng)中最大化能量效率的功率分配

田心記，黃玉霞，李曉靜

(1. 河南理工大學(xué)物理與電子信息學(xué)院 河南 焦作 454000；2. 黃河科技學(xué)院信息工程學(xué)院 鄭州 450063)

非正交多址接入NOMA 技術(shù)是第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)之一[1]。NOMA 的思想是：在同一個(gè)無線資源塊上同時(shí)為多個(gè)用戶服務(wù)，接收端采用連續(xù)干擾消除技術(shù)消減用戶之間的干擾[2]。因此，支持更多用戶連接和更高頻譜效率的NOMA技術(shù)成為產(chǎn)業(yè)界和學(xué)術(shù)界的研究重點(diǎn)[3]。

NOMA 中的功率分配關(guān)系到系統(tǒng)的性能[4-5]。文獻(xiàn)[6-11]研究了下行NOMA 系統(tǒng)中最大化和速率以及能量效率(energy efficiency, EE)的功率分配。對(duì)于包含任意用戶的單簇NOMA 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[6]提出了一種最大化和速率的功率分配方案。對(duì)于多簇且每個(gè)簇包含兩用戶NOMA 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[7]給出了一種基于迭代的最大化和速率的功率分配方案。文獻(xiàn)[8]將文獻(xiàn)[7]中的場(chǎng)景擴(kuò)展到每個(gè)簇包含任意用戶的NOMA 系統(tǒng)，在用戶最大發(fā)送功率和每個(gè)簇中用戶的最大數(shù)目約束下，提出了最大化系統(tǒng)權(quán)重和速率的功率分配方案。文獻(xiàn)[9]以總功率和用戶最低速率需求作為約束條件，提出了單簇NOMA 系統(tǒng)中最大化EE 的功率分配方案。對(duì)于多簇且每個(gè)簇分別包含兩用戶和任意用戶的NOMA系統(tǒng)，文獻(xiàn)[10]和文獻(xiàn)[11]分別提出了最大化EE的功率分配方案。

文獻(xiàn)[12-14]研究了上行NOMA 系統(tǒng)中最大化和速率的功率分配方案。對(duì)于包含兩用戶的上行單簇NOMA 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[12]以單個(gè)用戶最大發(fā)送功率作為約束條件，利用圖論中的最大加權(quán)獨(dú)立集方法求解了最大化系統(tǒng)和速率的功率分配。文獻(xiàn)[13]給出了多簇且每個(gè)簇包含兩用戶的上行NOMA 系統(tǒng)中最大化和速率的功率分配方案。文獻(xiàn)[14]將文獻(xiàn)[13]中的場(chǎng)景擴(kuò)展到每個(gè)簇包含任意用戶的上行多簇NOMA 系統(tǒng)，采用注水和幾何規(guī)劃兩種算法求解了最大化系統(tǒng)和速率的功率分配。然而，文獻(xiàn)[12-14]沒有考慮到用戶的權(quán)重。對(duì)于多簇且每個(gè)簇包含兩用戶的NOMA 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[15]推導(dǎo)了最大化系統(tǒng)權(quán)重和速率的功率分配方案。

最大化EE 是上行NOMA 系統(tǒng)中功率分配方案的目標(biāo)之一[16-17]。文獻(xiàn)[18]以單個(gè)用戶的最大發(fā)送功率和單個(gè)用戶的最低速率需求作為約束條件，提出了上行單簇NOMA 系統(tǒng)中最大化EE 的功率分配方法。文獻(xiàn)[19]建立了多簇且每個(gè)簇包含任意用戶的上行NOMA 系統(tǒng)中最大化系統(tǒng)EE 的功率分配優(yōu)化問題，并利用丁克爾巴赫算法求解該問題。對(duì)于多簇且每個(gè)簇包含任意用戶的上行NOMA 系統(tǒng)，文獻(xiàn)[20]以用戶的最大發(fā)送功率作為約束條件，給出了基于注水算法的最大化EE 的功率分配方案。然而文獻(xiàn)[19-20]的計(jì)算量有待于降低。

針對(duì)文獻(xiàn)[19-20]的不足，本文提出了包含任意用戶的上行NOMA 系統(tǒng)中低復(fù)雜度的最大化EE 的功率分配方案。以單個(gè)用戶的最大發(fā)送功率和用戶的最低速率需求作為約束條件，建立最大化EE 的功率分配優(yōu)化問題，求解該優(yōu)化問題，得到最大化EE 的功率分配。仿真結(jié)果顯示，隨著信噪比的變化，所提方案的系統(tǒng)EE 高于或等于相同場(chǎng)景中的已有方案。

1 系統(tǒng)模型

圖1 單小區(qū)上行NOMA 系統(tǒng)模型

基站接收到的M個(gè)用戶的信號(hào)相互干擾。采用與文獻(xiàn)[15]相同的檢測(cè)方法，基站先檢測(cè)信道最優(yōu)的用戶的發(fā)送信號(hào)并消減該信號(hào)造成的干擾，然后從未檢測(cè)的用戶信號(hào)中選出信道最優(yōu)的用戶，檢測(cè)該用戶的發(fā)送信號(hào)并消減該信號(hào)造成的干擾，重復(fù)該過程直至檢測(cè)出所有用戶的信號(hào)?；緳z測(cè)xm時(shí) 的 信 干 噪 比(signal to interference and noise ratio, SINR)為：

2 功率分配方案

本節(jié)首先推導(dǎo)了滿足所有用戶最低單位帶寬速率需求時(shí)單個(gè)用戶所需的最低功率，然后給出最大化系統(tǒng)EE 的功率分配方案。

2.1 單用戶最低功率的推導(dǎo)

2.2 總功率為常數(shù)時(shí)的功率分配

2.3 總功率變化時(shí)的功率分配

2.4 復(fù)雜度及收斂性分析

所提方案、文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]都采用迭代的方法求解最大化EE 的功率分配優(yōu)化問題，因此3 種方案的計(jì)算復(fù)雜度都與迭代次數(shù)有關(guān)。文獻(xiàn)[19]先根據(jù)算法3 更新每個(gè)用戶的功率，再將用戶功率代入算法2 進(jìn)行迭代求解EE，用I1表示更新每個(gè)用戶功率的迭代次數(shù)即算法3 的迭代次數(shù)，用I2表示算法2 的迭代次數(shù)。文獻(xiàn)[20]將最大化EE 的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為多個(gè)最大化和速率的子問題，用I1表示注水算法的迭代次數(shù)，用I2表示該文中算法2 的迭代次數(shù)。用I1表示所提方案的二分法的迭代次數(shù)。

表1 列出了3 種方案的計(jì)算復(fù)雜度。所提方案、文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]的計(jì)算復(fù)雜度分別與I1M、I1I2M和I1I2M2成 正 比。若I1=I2=10且M=20，所提方案的計(jì)算量大約分別是文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]的3/50、4/500。

表1 3 種方案的計(jì)算復(fù)雜度

所提二分法的步驟1 中 β(P1)＞0且 β(P2)＜0，因此，必定存在P*，使得 |β(P*)|＜ε， 故I1是有限值。因此，本文所提方案是收斂的，并且其計(jì)算復(fù)雜度顯著低于文獻(xiàn)[19]和文獻(xiàn)[20]。

3 性能比較及仿真

圖2 仿真了Rmin=1時(shí)，3 種方案的EE。所提方案用實(shí)線表示，對(duì)比方案用虛線表示，圖例括號(hào)中的參數(shù)表示用戶個(gè)數(shù)，圖3 也采用此種表示方法。從圖2 中可看出，2 用戶場(chǎng)景下系統(tǒng)EE 高于3 用戶的EE。原因在于，第3 個(gè)用戶的信道質(zhì)量較差，導(dǎo)致系統(tǒng)EE 降低。從圖2 中還能看出，信噪比(signal to noise ratio, SNR)范圍為[-15 dBm，5 dBm]時(shí)，隨著pmax的增大，系統(tǒng)的EE 先增大后保持不變。因?yàn)殡S著總功率P的增大，為信道質(zhì)量最優(yōu)的用戶分配的功率以及系統(tǒng)的EE 也隨著增大，當(dāng)總功率超過P*時(shí) ，即使再增大總功率P，最優(yōu)的總功率以及為各用戶分配的功率仍保持不變，即EE 保持不變。此外，SNR 范圍為[-15 dBm，0 dBm]時(shí)，所提方案的EE 高于對(duì)比方案。

圖2 Rmin = 1 時(shí)3 種方案的EE

圖3 Rmin = 1.5 時(shí)3 種方案的EE

4 結(jié) 束 語

本文研究了上行NOMA 系統(tǒng)中最大化EE 的功率分配方案?；谟脩舻淖畹退俾市枨蠛妥畲蟀l(fā)送功率限制，建立最大化EE 的功率分配優(yōu)化問題，基于二分法得到最大的EE 對(duì)應(yīng)的所有用戶的總功率，進(jìn)而得到為單個(gè)用戶分配的功率。仿真結(jié)果顯示，所提方案的EE 高于或等于已有方案的EE。上行系統(tǒng)中的多個(gè)簇采用正交頻段時(shí)，不同簇的用戶間的功率不存在制約關(guān)系，單簇的功率分配方案可直接應(yīng)用于多簇場(chǎng)景中的每個(gè)簇。由于所提功率分配方案是在給定子信道分配下進(jìn)行的，如何分配子信道以進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能有待于進(jìn)一步研究。

[1] 楊正. 5G 移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)非正交多址接入及相關(guān)技術(shù)研究[D].四川: 西南交通大學(xué), 2016.YANG Zheng. Investigation of non-orthogonal multiple access and related techniques for the 5th generation mobile networks[D]. Sichuan: Southwest Jiaotong Uni-versity,2016.

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