非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配研究

葛子楊

（南京工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 210000）

引言

5G新技術(shù)下，非正交多址系統(tǒng)的應(yīng)用，開(kāi)辟了功率域，促使不同的用戶可以共享同一塊時(shí)頻資源塊，而且，可以在提高系統(tǒng)吞吐量的基礎(chǔ)上，提高頻譜效率。在發(fā)送端，給不同的用戶分配不同的溝通率，將用戶信號(hào)疊加在一起，進(jìn)行發(fā)送與傳輸。因此，利用非正交多址系統(tǒng)對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)與分離，可實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸水平的進(jìn)一步提升。結(jié)合非正交多址系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用情況，對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配進(jìn)行研究，對(duì)提高非正交多址系統(tǒng)的用戶吞吐量以及提高頻譜利用率等方面有積極作用。

一、非正交多址系統(tǒng)的接入方式分析

現(xiàn)有通信系統(tǒng)大多是采用時(shí)分多址、頻分多址、碼分多址等正交多址方式對(duì)用戶進(jìn)行多址接入，而最新提出的非正交多址接入方式，可以在同一塊時(shí)頻資源上承載多個(gè)不同的用戶，并給用戶分配不同的功率，對(duì)用戶疊加進(jìn)行信號(hào)的傳輸進(jìn)行控制，對(duì)提高頻譜效率以及系統(tǒng)容量等方面有積極作用。非正交多址接入技術(shù)的應(yīng)用，可通過(guò)與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信系統(tǒng)中的計(jì)入技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析，可提高系統(tǒng)容量以及頻譜效率，而且，在發(fā)送端，非正交多址系統(tǒng)可以為不同的用戶分配不同的功率，并在同一時(shí)頻資源塊上發(fā)送出去，由于復(fù)用在同一時(shí)頻資源塊下的各用戶不具備信號(hào)的全正交性，所以，在接收端，通過(guò)串行干擾消除技術(shù)，消除其他用戶的多址干擾，達(dá)到解調(diào)用戶信號(hào)的目的。在對(duì)功率分配算法進(jìn)行研究中，利用迭代注水功率分配算法，通過(guò)各用戶所在子載波信道狀態(tài)的不同來(lái)分配不同的功率。功率分配算法在理論上，可以逼近非正交多址系統(tǒng)的吞吐量上限。但是，由于其計(jì)算的復(fù)雜度比較高，所以，在實(shí)際計(jì)算的過(guò)程中，需要通過(guò)多次迭代才能得到最優(yōu)解，其工程應(yīng)用水平仍需進(jìn)一步提升

張昱，李昊（2021）在對(duì)圖樣分割多址技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行研究中，在多天線的系統(tǒng)中，可通過(guò)圖像分割處理的方式，對(duì)發(fā)送、接收等方面進(jìn)行綜合控制，通過(guò)利用置信船舶算法，提高非正交多址系統(tǒng)下行速率控制效果。聯(lián)合優(yōu)化兩用戶的編碼功率分配因子進(jìn)行控制的基礎(chǔ)上，可提高非正交多址系統(tǒng)平均下行速率有積極作用[1]。

張軍霞，程慈航（2021）為提高系統(tǒng)的并發(fā)用戶量以及降低系統(tǒng)能好，在對(duì)接入的用戶分組方案進(jìn)行優(yōu)化中，利用聯(lián)合功率分配的分組算法，對(duì)組內(nèi)的最優(yōu)解調(diào)順序進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的進(jìn)一步提升[2]。

李云，蔡麗娟（2021）非正交多址接入允許在統(tǒng)一時(shí)頻資源上復(fù)用多個(gè)用戶，提高非正交多址系統(tǒng)的用戶接入數(shù)量以及頻譜頻率。在對(duì)基站動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程進(jìn)行優(yōu)化中，則需要從分?jǐn)?shù)階功率分配算法調(diào)整與控制的角度，利用拉格朗日函數(shù)，在約束條件下，獲得用戶購(gòu)買的最優(yōu)功率[3]。

宋傳旺（2021）非正交多址系統(tǒng)接入技術(shù)的應(yīng)用，則是對(duì)非正交多址系統(tǒng)的中斷性能、下行鏈路場(chǎng)景等方面進(jìn)行解碼處理，并對(duì)轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議的分布以及信噪比變化等方面進(jìn)行綜合控制，利用仿真分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)中繼位置、信道質(zhì)量、中繼個(gè)數(shù)對(duì)系統(tǒng)中斷概率的變化規(guī)律進(jìn)行量化，對(duì)中繼選擇策略的性能優(yōu)勢(shì)提升方面有積極作用[4]。

二、非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配算法

非正交多址系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中，則需要從時(shí)域、頻域、碼域等基礎(chǔ)上引入功率域，在發(fā)送端，為不同的用戶分配不同的功率。在利用串行干擾消除技術(shù)正確解調(diào)用戶信號(hào)中，還可以對(duì)用戶功率進(jìn)行分配，保證非正交多址系統(tǒng)的吞吐量以及用戶公平性方面達(dá)到最優(yōu)解。在對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配進(jìn)行分析，在不同用戶分組方案建立的基礎(chǔ)上，對(duì)不同用戶之間的干擾進(jìn)行分析，對(duì)提高非正交多址系統(tǒng)的吞吐量方面有積極作用。在建立多種用戶分組算法的過(guò)程中，采用隨機(jī)分組算法以及瞬時(shí)速率分析的方式，實(shí)現(xiàn)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配水平提升。

桂一琳（2021）在對(duì)非正交多址接入方式進(jìn)行研究與分析中，則通過(guò)與傳統(tǒng)的移動(dòng)通信進(jìn)行對(duì)比，在非正交多址系統(tǒng)下，可對(duì)用戶分配的功率變化進(jìn)行調(diào)整，提高用戶信號(hào)的綜合處理效果。在多用戶共享接入技術(shù)的應(yīng)用下，對(duì)多元碼序列進(jìn)行調(diào)整，并根據(jù)用戶信號(hào)變化，對(duì)不同編碼方式進(jìn)行調(diào)整，這對(duì)用戶信息的綜合處理水平有積極作用[5]。

楊一夫，武剛（2020）結(jié)合非正交多址系統(tǒng)的應(yīng)用原理，對(duì)非正交多址系統(tǒng)的多用戶共享接入以及稀疏碼多址接入技術(shù)，對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配性能進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)實(shí)現(xiàn)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配水平提升方面有積極作用[6]。

李澤（2019）基于大尺度衰落的用戶分配方案以及貪婪算法下的用戶分配方案的應(yīng)用，可通過(guò)頻譜效率對(duì)比與檢驗(yàn)的方式進(jìn)行分析，在非正交多址下行鏈路模型中，可通過(guò)貪婪算法，獲得更高的頻譜效率，但是，計(jì)算的復(fù)雜程度比較高，需要對(duì)路徑損耗指數(shù)進(jìn)行計(jì)算，提高功率分配水平[7]。

馮鄭慧（2019）非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的用戶功率分配，則需要對(duì)簇內(nèi)吞吐量進(jìn)行控制。提出給定吞吐量最小限值的條件下，簇內(nèi)用戶數(shù)最大值的估計(jì)方案，將給定吞吐量的最小限值控制為10Mbit·s-1的狀態(tài)下，非正交多址系統(tǒng)的簇中最大用戶數(shù)為4[8]。

三、非正交多址系統(tǒng)下行鏈路功率分配中干擾消除算法的應(yīng)用研究

非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配，在發(fā)送端將用戶信號(hào)疊加在一起，病進(jìn)行發(fā)送，所以，各用戶信號(hào)會(huì)共享同一時(shí)頻資源塊，采用非正交的方式進(jìn)行發(fā)送與傳輸，對(duì)提高頻譜利用率方面有積極作用。在對(duì)干擾消除算法的實(shí)際應(yīng)用進(jìn)行分析中，結(jié)合用戶的信號(hào)矩陣關(guān)系，對(duì)發(fā)送信號(hào)估計(jì)、功率分配算法應(yīng)用等方面展開(kāi)討論。非正交多址系統(tǒng)接入技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中，以正交頻分復(fù)用技術(shù)與功率域融合，基站將多個(gè)用戶疊加在同一子頻帶上進(jìn)行傳輸，每個(gè)用戶分配不同的發(fā)送功率，在時(shí)頻資源上進(jìn)行復(fù)用，并利用OFDM調(diào)制發(fā)送。在接收端，利用正交頻分復(fù)用解調(diào)技術(shù)對(duì)疊加用戶信號(hào)進(jìn)行處理，并對(duì)多個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行疊加與處理，達(dá)到干擾消除以及多用戶檢測(cè)的目的。將不同用戶的信號(hào)解調(diào)出來(lái)后，可對(duì)消除模塊進(jìn)行處理，提高非正交多址系統(tǒng)下行鏈路功率分配處理水平。非正交多址系統(tǒng)在發(fā)送端給不同的用戶分配不同的功率使其在功率域進(jìn)行用戶疊加，而在接收端則要采用串行干擾消除接收機(jī)對(duì)信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)分離，因此，在發(fā)送端，基站采用合適的功率分配方案，給所有用戶自適應(yīng)地分配不同的功率，這種理念不僅可以用來(lái)區(qū)分用戶，而且可以最大程度地利用功率資源，在提升系統(tǒng)吞吐量以及頻譜效率的同時(shí)，也可以保證用戶之間的公平性。

李偉琪，王浩（2019）在對(duì)串行干擾消除算法的實(shí)際應(yīng)用分析中，通過(guò)信道分析以及估計(jì)的方式，獲取用戶的信道估計(jì)矩陣，并進(jìn)行求逆，依次與用戶的信號(hào)矩陣相乘，獲得用戶期望信號(hào)。在迫使信道增益的狀態(tài)下，實(shí)際信道中不可避免地會(huì)出現(xiàn)噪聲，所以，可對(duì)噪聲進(jìn)行消除處理，降低接收性能不佳的情況出現(xiàn)[9]。

劉玉婷（2018）基于最小均方誤差檢測(cè)的串行干擾消除算法應(yīng)用，以發(fā)送信號(hào)估計(jì)的均方最小為基本目標(biāo)，在信道分析與估計(jì)的過(guò)程中，可以通過(guò)計(jì)算獲取權(quán)向量矩陣，計(jì)算矩陣各行的歐式距離，利用歐氏距離最小的一行，與信號(hào)矩陣進(jìn)行相乘，從而獲得解調(diào)功率的最大信號(hào)值[10]。

李晴（2020）利用全空間搜索功率分配算法，對(duì)所有用戶以及分組情況等進(jìn)行搜索，并從功率分配計(jì)算的角度，提高非正交多址系統(tǒng)的數(shù)據(jù)分析與識(shí)別水平。在數(shù)據(jù)消除以及多用戶分析中，則需要在最小均方誤差檢測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的吞吐量進(jìn)行控制，提高用戶信號(hào)的綜合處理水平[11]。

侯國(guó)?。?020）分析非正交多址系統(tǒng)的應(yīng)用，則是利用串行干擾消除技術(shù)，對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，在對(duì)用戶功率進(jìn)行分配與調(diào)整的基礎(chǔ)上，可提高非正交多址系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸、信息處理水平。通過(guò)對(duì)用戶功率進(jìn)行合理的分配，促使非正交多址系統(tǒng)在吞吐量與用戶公平性方面可達(dá)到最優(yōu)，功率分配算法在實(shí)際應(yīng)用下，可提高非正交多址系統(tǒng)的整體性能。在信道增益與功率分配的基礎(chǔ)上，對(duì)功率分配因子閱讀，用戶之間分配的功率差值越小，這對(duì)功率分配以及信道狀態(tài)檢驗(yàn)水平提升有促進(jìn)作用。功率分配因子在非正交多址系統(tǒng)設(shè)計(jì)中便可以確定，在用戶功率分配以及非正交多址系統(tǒng)吞吐量計(jì)算的前提下，可事先功率分配與數(shù)據(jù)分析處理水平的綜合提升[12]。

四、基于能量效率的功率分配研究

在利用能量效率對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配進(jìn)行研究中，則需要結(jié)合非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的運(yùn)行特點(diǎn)，對(duì)線性信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，并將群體優(yōu)化問(wèn)題與用戶的信號(hào)干擾問(wèn)題等方面進(jìn)行控制。因此，利用粒子群算法，對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行初始化，并對(duì)慣性權(quán)值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，分別對(duì)加速因子、粒子群數(shù)量等方面進(jìn)行檢驗(yàn)與分析。在對(duì)粒子的初始適應(yīng)值進(jìn)行分析中，以局部最優(yōu)解為依據(jù)，可通過(guò)適應(yīng)度函數(shù)進(jìn)行計(jì)算。在對(duì)功率分配進(jìn)行研究與分析中，則需要針對(duì)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路頻帶間的功率分配進(jìn)行綜合而控制，在實(shí)現(xiàn)功率分配以及參數(shù)分析的基礎(chǔ)上，可降低功率分配過(guò)程中，多用戶之間功率分配的干擾。在對(duì)粒子位置以及局部最優(yōu)值進(jìn)行計(jì)算與分析中，可對(duì)適應(yīng)值進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，并獲得迭代數(shù)據(jù)。在對(duì)仿真參數(shù)進(jìn)行設(shè)置中，采用串行干擾消除技術(shù)，對(duì)多址干擾問(wèn)題進(jìn)行處理。在通信系統(tǒng)中，可對(duì)下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸能效進(jìn)行評(píng)估。因此，在進(jìn)行參數(shù)設(shè)置的過(guò)程中，最大發(fā)射功率設(shè)置為40dBm，子頻帶帶寬的數(shù)值為15kHz，電路損耗為2W，功率放大因子為4，噪聲功率譜密度為-174dBm/Hz，用戶最小數(shù)據(jù)的傳輸速率為500bps。在對(duì)能量效率與最大發(fā)射功率之間的關(guān)系進(jìn)行分析中，其實(shí)際關(guān)系情況如圖1所示。

圖1 不同優(yōu)化指標(biāo)下系統(tǒng)能量效率與最大發(fā)射功率之間的關(guān)系

在其他變量確定的前提下，以基站最大發(fā)射功率Pmax為自變量，以能量效率η衡量分配方案的性能?；谀芰啃实墓β史峙浞桨感阅芮€可以清楚地看到，當(dāng)基站最大發(fā)射功率慢慢增加時(shí)，非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的能量效率呈現(xiàn)一種慢慢上升然后漸漸趨于平緩的趨勢(shì)。當(dāng)基站最大發(fā)射功率達(dá)到25dBm時(shí)，系統(tǒng)能量效率達(dá)到最大，基本保持不變。這主要是因?yàn)橐婚_(kāi)始時(shí)基站的最大發(fā)射功率對(duì)系統(tǒng)能量效率產(chǎn)生了較大的約束，之后隨著基站最大發(fā)射功率的增加，系統(tǒng)已經(jīng)找到了最優(yōu)的功率分配方案，不會(huì)消耗多余的功率，所以能量效率趨于穩(wěn)定。而從基于小區(qū)容量的功率分配方案性能曲線可以清楚地看到，當(dāng)基站最大發(fā)射功率慢慢增加時(shí)，非正交多址系統(tǒng)下行鏈路能量效率呈現(xiàn)出一種先上升再下降的趨勢(shì)，拐點(diǎn)大概是在基站最大發(fā)射功率為28dBm處。在實(shí)現(xiàn)功率分配最大化的基礎(chǔ)上，可實(shí)現(xiàn)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的綜合控制效果提升。

結(jié)語(yǔ)

非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配研究，則需要從接入方式、功率分配算法應(yīng)用、干擾消除算法應(yīng)用等角度展開(kāi)研究，結(jié)合非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的運(yùn)行及吞吐量控制，則需要從資源調(diào)度、干擾消除等角度進(jìn)行綜合控制，從而實(shí)現(xiàn)非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配調(diào)控水平提升。在終端連接數(shù)目的增長(zhǎng)視角下，則需要對(duì)用戶數(shù)的資源數(shù)目以及用戶分組、功率分配算法等方面進(jìn)行優(yōu)化，提高非正交多址系統(tǒng)下行鏈路的功率分配水平提升。