基于雙邊匹配模型的上行鏈路NOMA 用戶配對方案

曹可為，楊 震，2

（1.南京郵電大學通信與信息工程學院，南京 210003；2.南京郵電大學通信與網絡技術國家地方聯(lián)合工程研究中心，南京 210003）

引言

隨著無線通信的快速發(fā)展，寶貴的頻譜資源越來越稀缺，如何有效提高頻譜利用率至關重要。與正交多址（OMA）系統(tǒng)相比，在B5G 網絡的候選方案中，非正交多址（NOMA）可以通過在同一頻帶復用更多用戶來進一步提高頻譜效率。OMA 在不同的頻率、時間和代碼下為用戶提供不同的信道條件，與OMA 不同的是，NOMA 允許共享相同的頻譜資源。NOMA 憑借著良好的頻譜利用率、更高的系統(tǒng)吞吐量和較低的延遲贏得了青睞。目前多數NOMA 方案是利用用戶信道增益差異，通過功率控制進行多址接入的，當用戶的信道增益之間存在顯著差異時，它們最好是成對的［1-2］。然而，在現(xiàn)實情況下，即小區(qū)中有大量用戶的情況下，在匹配過程中，某些用戶對的信道增益差異會減小，使得該對的吞吐量降低，導致整體系統(tǒng)容量下降。因此，這些用戶將由OMA 服務，并且將不能受益于NOMA 多路復用提供的優(yōu)勢。

文獻［1］中將兩個用戶（用戶配對）分配給一個資源塊。結果顯示，將信道條件最不同的一組用戶中的這兩個用戶配對，使用固定功率分配技術產生的性能增益最高。在文獻［2］中，研究了兩個用戶的下行鏈路NOMA，該文是通過研究一個聚類來解決的技術，其中選擇兩個聚類的用戶使得強用戶的SINR 高于閾值T1，而弱用戶的SINR 低于閾值T2，其中T2

在文獻［3］中，作者提出了一種配對方案，該方案對于所有對具有相對均勻的間隙增益，以便于中間小區(qū)用戶的匹配和最大化NOMA 無線電容量。在文獻［4］中，作者提出了一種用戶配對方案，該方案利用NOMA 組中用戶之間的信道增益差異，并將它們分組到一個或多個組中，以提高系統(tǒng)的總吞吐量。在文獻［5］中，作者引入了基于用戶間的信道增益差異的用戶配對算法，并設置了NOMA 對之間的差異最小范圍。結果表明，在這個距離范圍內，NOMA 群體之間的無線通信容量分布得到了更好的控制。

為了確保上述關于用戶分組的理論研究所預測的性能增益，已經進行了一些實際研究。在文獻［6］中，單調優(yōu)化被用來解決由此產生的非凸優(yōu)化問題。其中獲得了聯(lián)合子載波分配、用戶分組和功率分配的最優(yōu)解。在文獻［7］中，還研究了多載波非正交多址系統(tǒng)的資源分配算法設計。結果表明，與傳統(tǒng)的多載波正交多址相比，所提出的資源分配算法獲得了顯著的系統(tǒng)吞吐量改善。在文獻［8］中，考慮了一個聯(lián)合用戶配對和功率分配問題，以優(yōu)化每個用戶的最小速率約束下的可達和速率（ASR），這是一個混合整數規(guī)劃問題。在文獻［9］中，作者提出了在容量等于或大于OMA 系統(tǒng)的條件下，兩個NOMA 配對用戶的公平功率分配方案。

事實上，在傳統(tǒng)的配對方案中，有一種情況是不可避免的：信道增益巨大與信道增益較小的用戶在配對后，因為小用戶信道增益過小，導致解碼時無法解出，無法進行通信，從而導致與之配對的大用戶無法采用NOMA 進行通信（因為采用連續(xù)干擾抵消SIC 技術時，首先解出強用戶信號，然后再解出弱用戶信號），轉而使用OMA 進行通信，影響了系統(tǒng)和速率的提升，損失了一定的通信速率。此情況在之前的文獻中較少提及，本文所提出的方案將針對這種情況進行充分討論，尋求解決方案。

本文方案旨在通過設置用戶信道增益的差值為偏好度來進行配對。假設用戶在小區(qū)內統(tǒng)一部署，目標是通過預分組避免信道增益差距巨大的用戶配對，同時避免信道增益差距微小的用戶配對，以提高系統(tǒng)整體性能。因此，將小區(qū)的用戶分成兩組，同時考慮信道增益過小的用戶在現(xiàn)實場景中無法通信，設置一個信道增益門限值作為能否通信的判決條件，分組后采用信道增益差值作為偏好度進行組間兩兩配對。

最后，將本文NOMA 配對方案與傳統(tǒng)的配對方案和OMA 方案進行比較，并從數據速率的角度證明本文配對方案的有效性。與上述文獻相比，本文方案的新穎之處在于，除了避免了信道增益差距接近的用戶配對后對性能的提升較小，同時考慮了部分信道增益過小的用戶與信道增益較大的用戶配對時，信道增益過小的用戶無法通信的同時，導致信道增益較大的用戶只能采用OMA 進行通信，以盡可能避免后者的數據速率下降。

1 系統(tǒng)模型

假設具有一個基站的單小區(qū)上行鏈路NOMA 網絡，包含一個基站和N個用戶，系統(tǒng)模型如圖1 所示?；竞兔總€用戶均裝備一根天線，基站和用戶間的信道條件為萊斯信道，假設有N個用戶隨機均勻分布在距離基站0～500 m 之間的位置內：UN={1，2，3，…，N}；|hN|2表示第N個用戶的信道增益，全部用戶信道增益按降序排列，即

圖1 多用戶上行鏈路NOMA 模型Fig.1 Multiuser uplink NOMA model

2 配對方案

圖2 根據用戶信道增益進行分組Fig.2 Grouping according to user channel gain

上行鏈路NOMA 解碼過程中，信道增益過小的用戶，因為本身存在著加性高斯白噪聲，會導致該用戶對無法采用NOMA 進行通信，假設存在一個基站接收功率的門限值Pmax|hthreshold|2，當Pmax|hk|2

對于已經完成預分組的兩組用戶，利用雙邊匹配模型，基于兩組用戶之間的偏好關系進行配對。在傳統(tǒng)的NOMA 配對方案中，為了使得系統(tǒng)和速率最大，信道增益低于門限值的小用戶會匹配到一個信道增益較大的大用戶；但是此時由于小用戶無法通信，大用戶只能采用OMA 通信，會導致整體系統(tǒng)的和速率下降。所以對于這種用戶，在配對時為了避免系統(tǒng)和速率下降的問題，需要將它們與信道增益較小的用戶配對而不是與最小的無法解碼的用戶配對，以減小對系統(tǒng)和速率的損耗。對于信道增益大于門限值的用戶，在配對時優(yōu)先與信道增益差距較大的用戶配對。另一方面，用戶對服務質量是有要求的，換言之，用戶對配對也有偏好要求，雙邊匹配理論［10］是由大衛(wèi)·蓋爾和勞埃德·沙普利引入之后，開啟了關于雙邊市場匹配問題的先河，是迄今博弈論應用最廣泛的領域之一。雙邊匹配理論是依據用戶之間的偏好程度來進行配對，使得每個用戶都能與自己理想的用戶進行配對。

首先計算兩組用戶之間的偏好關系，對于組1 中第k個用戶、組2 中全部用戶，與第k用戶信道增益差值最大的用戶偏好度最高，差值最小的用戶偏好度最低；但當該用戶Pmax|hk|2

用戶偏好度具體算法實現(xiàn)步驟如下：

基于上文已完成的用戶高低分離式分組和組1、組2 偏好度計算全部完成以后，運用雙邊匹配理論，完成用戶的實際匹配，具體實現(xiàn)步驟如下：

第一輪，每個組1 用戶都向自己名單上排在首位的組2 用戶發(fā)出配對邀請。此時，一個組2 用戶可能面對的情況有3 種：沒有人跟它發(fā)出配對邀請、只有一個用戶跟它發(fā)出配對邀請、不只一個用戶跟它發(fā)出配對邀請。在第一種情況下，這個組2 用戶什么都不做，繼續(xù)等待即可；在第二種情況下，組2 用戶接受那個人的發(fā)出配對邀請，答應暫時和它配對；在第三種情況下，組2 用戶從所有追求者中選擇自己最喜歡的那一位，答應和它暫時配對，并拒絕其他所有的追求者。

第一輪結束后，有些組1 用戶已經有配對用戶而有些組1 用戶仍然是未配對。在第二輪發(fā)出配對邀請行動中，每個未配對組1 用戶都會從所有還沒拒絕過自己的組2 用戶中選出自己最喜歡的那一個，并向它發(fā)出配對邀請，不管它現(xiàn)在是否是未配對。和第一輪一樣，每個被發(fā)出配對邀請的組2 用戶需要從發(fā)出配對邀請者中選擇最喜歡的組1 用戶，并拒絕其他追求者。注意，如果這個組2 用戶當前已經有配對用戶了，當它遇到了更好的追求者時，它將拒絕現(xiàn)在配對的用戶，轉而與自己更喜歡的用戶配對。

在以后的每一輪中，未配對的組1 用戶會繼續(xù)追求列表中的下一個組2 用戶；組2 用戶則從包括現(xiàn)配對用戶在內的所有追求者中選擇最好的一個，并拒絕其他用戶。這樣一輪一輪地進行下去，直到某個時刻所有用戶都不再未配對，那么下一輪將不會有任何新的配對過程，每個用戶的配對用戶也都將固定下來，整個過程自動結束，此時的搭配就一定是穩(wěn)定的。

具體算法實現(xiàn)步驟如下：

While 仍有組1 用戶未配對

3 仿真實現(xiàn)

假設在上行鏈路中，基站和每個用戶均裝備一根天線，基站和用戶間的信道條件為萊斯信道，有m個用戶隨機均勻分布在距離基站0～500 m 之間的位置，不考慮選擇子頻帶。首先初始化各用戶的信道信息，設置仿真參數：帶寬W=1 MHz，噪聲的功率譜密度N0=-154 dBm/Hz，大尺度衰落的信道衰落指數α=2.4，每個用戶對基站的發(fā)射功率為P=0.2 W，接收功率門限值Pmax|hthreshold|2中的參數|hthreshold|2=1×10-7。

假設m=64，隨機生成64 個距離表示用戶的分布位置。

為了處理的方便性，假設用戶按照信道條件降序排列，并指定用戶名，如表1 所示。預分組之后，64個用戶分成兩個用戶組，分別為組1（表2）和組2（表3）。

表1 用戶位置初始化Table 1 User location initialization

表2 組1 用戶Table 2 Group 1 users

表3 組2 用戶Table 3 Group 2 users

針對上述數據，完成兩組用戶之間的偏好度計算，依照雙邊匹配理論，完成用戶配對，配對結果見表4。

表4 配對結果Table 4 Pairing results

本次仿真是隨著用戶數增加，系統(tǒng)和速率的比較。針對系統(tǒng)內用戶，都要進行預分組、完成偏好度計算，按照雙邊匹配理論，完成用戶配對，最后和幾種傳統(tǒng)的用戶配對方案和傳統(tǒng)的正交多址接入技術方案進行仿真比較。對比方案包括傳統(tǒng)的高高配對和高低配對，以及采取本文預分組方案后進行的高高配對和高低配對以及傳統(tǒng)的正交多址接入技術方案。仿真結果如圖3 所示。

由圖3 可以看出，在接收功率門限值參數|hthreshold|2=1×10-7的條件下，系統(tǒng)和速率隨著用戶總對數的變化關系，本方法性能一直高于普通高低配對、普通高高配對，和按照本方案分組情況下的高低配對和高高配對以及OMA。本方案優(yōu)于其他傳統(tǒng)方案原因在于，在傳統(tǒng)的高低配對中，每個用戶為了獲得更大的可達速率，會在匹配時與自己信道增益差距最大的用戶配對，但是因為上行鏈路NOMA 在解碼時小用戶由于信道增益過小，導致基站接收到的功率小于可以正常采用NOMA通信的門限值，從而導致小用戶本身無法正常通信，同時與小用戶配對的大用戶只能采用OMA 通信，導致系統(tǒng)和速率下降；本方案在配對時，一是將信道增益最大與最小的一半用戶分在組1 中，避免了信道增益最大與最小的用戶配對，二是在設置偏好程度時，對于基站接收功率小于門限值的用戶不再是以最偏好信道增益差距最大的用戶，而是改為設置信道增益差距最小的用戶為偏好程度最高的用戶，從而使得在最后的配對結果中，每個小于門限值的用戶所配對的用戶并不是信道增益較大的用戶，有效地減小了這部分用戶因為小用戶無法通信，自身采用OMA 通信導致的系統(tǒng)和速率的下降。

圖3 僅給出了在接收功率門限值參數|hthreshold|2= 1× 10-7的條件下，系統(tǒng)和速率隨著用戶總對數的變化關系，為了驗證本方案的全面性，將接收功率門限值進行改變，仿真結果如圖4所示。

圖3 |hthreshold|2=1×10-7 時系統(tǒng)和速率隨著系統(tǒng)用戶總對數的變化Fig.3 Change of system and rate with the total logarithm of system users when|hthreshold|2=1×10-7

圖4 200 用戶情況下，系統(tǒng)和速率隨著門限值的變化Fig.4 System and rate change with threshold under condition of 200 users

由圖4 可以看出，在小區(qū)內有200 個用戶的場景下，隨著信道增益門限值的增大，系統(tǒng)和速率都有所下降，即系統(tǒng)和速率隨著信道增益門限值的增大而下降。究其原因，信道門限值增大時，信道增益小于門限值的小用戶無法通信，該類用戶增多，同時會影響部分信道條件較好的通信，對系統(tǒng)整體的和速率產生了影響。其中本方案的和速率依然優(yōu)于其余方案，系統(tǒng)和速率下降程度最小，也就是說隨著信道增益門限值的增大，本方案性能依然能保持優(yōu)于其他方案。本方案性能優(yōu)于其他方案的原因在于，在信道增益門限值增大的情況下，所有用戶中小于門限值的用戶數量也將會增加，即無法采用NOMA通信轉而不通信的小用戶數量增加，同時因與小用戶配對而采用OMA 進行通信的用戶數量也增加了，所以必然導致全部方案的和速率隨著門限值的增大而下降；本方案在配對過程中，針對小于門限值用戶的偏好程度設置采用信道增益差值最小的用戶最高，即小于門限值的用戶優(yōu)先與信道增益條件差的用戶配對，傳統(tǒng)方案則是會與信道增益條件相較較好的用戶配對，從而導致系統(tǒng)和速率的下降更為明顯，所以本方案的速率下降程度最小。

4 結束語

本文提出一種基于雙邊匹配模型的上行鏈路非正交多址接入配對方法，實現(xiàn)用戶依據信道增益作為偏好度進行配對。與傳統(tǒng)方案相比，該方法避免了信道增益差距巨大的用戶對，因為解碼時會導致小用戶解不出來；同時有一部分信道增益差距接近的用戶性能提升很小。仿真結果表明，相較于傳統(tǒng)方案，該方案的系統(tǒng)和速率得到顯著提升。

本方案的局限性在于需要知道用戶信道增益信息，因此，基站與用戶握手時，獲知比較精確的用戶定位是關鍵，當用戶高速移動時，定位信息的及時更新也就比較重要。