移動(dòng)場(chǎng)景下反向散射混合多址算法研究

摘" 要： 隨著移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在移動(dòng)場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)高速、低功耗的信息傳遞具有重要研究?jī)r(jià)值。反向散射通信作為一種低功耗的通信技術(shù)可以解決功耗與能量供應(yīng)問(wèn)題。NOMA（非正交多址接入）是實(shí)現(xiàn)高頻譜效率的技術(shù)，基于用戶之間信道增益差進(jìn)行配對(duì)通信，但是當(dāng)用戶信道增益差過(guò)小時(shí)，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)干擾進(jìn)而嚴(yán)重影響性能，而采用OMA（正交多址接入）可以降低干擾。針對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景中因信道增益頻繁變化而導(dǎo)致的性能降低以及能量供應(yīng)問(wèn)題，構(gòu)建了移動(dòng)場(chǎng)景下反向散射混合多址系統(tǒng)模型，提出反向散射設(shè)備在移動(dòng)場(chǎng)景中使用NOMA或OMA的動(dòng)態(tài)閾值，以最大化復(fù)用NOMA提升速率，剩余設(shè)備則采用OMA，并在此基礎(chǔ)上提出最佳信道增益差配對(duì)算法。仿真結(jié)果表明，在移動(dòng)場(chǎng)景中相較于傳統(tǒng)方法，和速率、中斷概率、復(fù)用用戶數(shù)都有顯著提高，在小型無(wú)人機(jī)、無(wú)人船等方面具有應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞： 物聯(lián)網(wǎng)； 移動(dòng)場(chǎng)景； 反向散射； 非正交多址； 正交多址； 混合多址； 用戶分組

中圖分類號(hào)： TN92?34" " " " " " " " " " " " " " "文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A" " " " " " " " " " " " 文章編號(hào)： 1004?373X（2024）05?0008?07

Research on backscatter hybrid multiple access algorithm in mobile scenarios

LI Shibao， LIU Zhengda， LU Rui

（College of Oceanography and Space Informatics， China University of Petroleum （East China）， Qingdao 266580， China）

Abstract： With the development of the mobile Internet of Things （IoT）， achieving high?speed and low?power information transmission in mobile scenarios has important research value. Backscattering communication， as a low?power communication technology， can solve the problems of power consumption and energy supply. NOMA （non?orthogonal multiple access） is a technology that achieves high frequency spectral efficiency， which implements paired communication based on the difference in channel gain between users. However， when the differences in channel gain between users are excessively small， strong interference will be generated， which affects performance seriously. Adopting OMA （orthogonal multiple access） can reduce the interference. In view of the performance degradation and energy supply issues caused by frequent changes in channel gain in mobile scenarios， a backscatter hybrid multiple access （HMA） system model is constructed. A dynamic threshold is proposed for backscatter devices to use NOMA or OMA in mobile scenarios to maximize the rate improvement of multiplexing NOMA， while OMA is adopted for the remaining devices. On this basis， the optimal channel gain difference pairing algorithm is proposed. The simulation results show that in mobile scenarios， the sum rate， outage probability and number of users who reuse products have increased significantly in comparison with the traditional methods. Therefore， the proposed algorithm has application value in small unmanned aerial vehicles， unmanned ships， and other fields.

Keywords： IoT; mobile scenario; backscattering; NOMA; OMA; HMA; user grouping

0" 引" 言

移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展亟待在各種車載傳感器、無(wú)人機(jī)[1]、無(wú)人船、海上浮標(biāo)等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健、智能和節(jié)能的數(shù)據(jù)共享。在此情形下解決在移動(dòng)用戶中能量供應(yīng)不足和頻譜效率底的問(wèn)題尤為重要。

近年來(lái)反向散射得到了廣泛的應(yīng)用。反向散射通信系統(tǒng)有三個(gè)主要組件：反向散射發(fā)射器、作為讀取器的反向散射接收器以及射頻（Radio Frequency， RF）載波發(fā)射器。讀取器和RF載波發(fā)射器嵌入在同一設(shè)備中。在反向散射系統(tǒng)中，反向散射設(shè)備反射來(lái)自RF載波發(fā)射器的入射信號(hào)與讀取器通信。采集入射載波信號(hào)功率的一部分，以便在反向散射設(shè)備執(zhí)行反向散射時(shí)為其電路提供功率。入射信號(hào)功率的剩余部分被反向散射設(shè)備反射回讀取器。反向散射通信技術(shù)作為一種低功耗[2]、低成本、低復(fù)雜度的通信技術(shù)，用來(lái)解決物聯(lián)網(wǎng)功耗與能量供應(yīng)問(wèn)題，避免了移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備需要定期更換電池的問(wèn)題，延長(zhǎng)了工作周期，是一種推動(dòng)移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)繼續(xù)向前發(fā)展的具有前景的技術(shù)。

非正交多址接入（Non?Orthogonal Multiple Access， NOMA）近年來(lái)發(fā)展迅速，NOMA允許多個(gè)用戶配對(duì)后在同一正交資源塊上進(jìn)行通信，可以有效提高頻譜利用率[3]，增大吞吐量，以解決移動(dòng)物聯(lián)網(wǎng)中頻譜利用率低的問(wèn)題。在NOMA用戶配對(duì)方面，大多數(shù)現(xiàn)有NOMA中用戶的配對(duì)是將小區(qū)中的用戶按信道增益分為兩組，然后將信道增益較高的用戶與信道增益較低的用戶進(jìn)行非正交復(fù)用。常見(jiàn)的有：C?NOMA，其形成對(duì)為[（U1，UM）]，[（U2，UM?1）]，以及UCGD?NOMA，其形成對(duì)為[（U1，UM2+1）]，[（U2，UM2+2）]。在目前配對(duì)方法的研究里，文獻(xiàn)[4]就已經(jīng)表明了信道條件差異較大的用戶配對(duì)可以實(shí)現(xiàn)更高的總吞吐量。在文獻(xiàn)[5]中，作者引入了基于除法和次大差分的用戶配對(duì)算法（D?NLUPA），并設(shè)置了應(yīng)用NOMA的最小范圍，通過(guò)增加相應(yīng)的分離距離的最小值，每對(duì)都能獲得更好的增益。文獻(xiàn)[6]提出了具有相對(duì)均勻間隙增益的配對(duì)方案，以最大化NOMA無(wú)線電容量。但當(dāng)配對(duì)用戶間的信道增益差很小時(shí)，會(huì)出現(xiàn)用戶間干擾、資源分配不足、串行干擾消除（Successive Interference Cancellation， SIC）無(wú)法解碼等問(wèn)題，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。

當(dāng)由于干擾問(wèn)題導(dǎo)致系統(tǒng)容量低于正交多址接入（Orthogonal Multiple Access， OMA）[4?5，7]時(shí)，提出了在時(shí)域中聯(lián)合NOMA和OMA的混合多址接入[8?9]，混合多址側(cè)重于確定用戶對(duì)之間的最佳操作模式，以提高總體和速率和服務(wù)質(zhì)量，其有效性已經(jīng)得到證實(shí)[10]。在混合多址接入的文獻(xiàn)[6]將時(shí)分復(fù)用接入（TDMA）與功率域非正交多址（PD?NOMA）相結(jié)合，以提高系統(tǒng)在中斷概率和吞吐量方面的性能。文獻(xiàn)[11]根據(jù)干擾水平來(lái)劃分使用NOMA或OMA，當(dāng)小區(qū)間干擾較強(qiáng)時(shí)，將不再使用NOMA。文獻(xiàn)[5]提到了基于網(wǎng)絡(luò)的當(dāng)前狀態(tài)決定是否使用NOMA、OMA、協(xié)作NOMA進(jìn)行下行鏈路傳輸。文獻(xiàn)[11]將用戶數(shù)量設(shè)置為3個(gè)，分別討論了僅使用NOMA、OMA、混合OMA與NOMA的通信模式，考慮到用戶的可能組合，總共有五種類型的資源模式。因此在典型的多小區(qū)場(chǎng)景中，所提出的方案優(yōu)于使用NOMA和OMA的傳統(tǒng)多址方法。文獻(xiàn)[5]使用混合多址來(lái)解決小區(qū)間干擾問(wèn)題，側(cè)重在不損害QoS需求的情況下提高總體速率。將小區(qū)間干擾（ICI）劃分為三個(gè)等級(jí)：在低干擾水平，干擾將完全不影響NOMA通信；在中等干擾水平，部分情況使得NOMA是可行的；而最后一種情況產(chǎn)生顯著的小區(qū)間干擾，使NOMA完全不可行。文獻(xiàn)[12]研究了密集無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的兩種NOMA配對(duì)方案。設(shè)置了用戶的最低信噪比（SINR），如果配對(duì)用戶接近最低的SINR，則用戶使用NOMA將不會(huì)有太高的增益，可以切換OMA。文獻(xiàn)[13]指出NOMA通過(guò)更有效地利用可用資源來(lái)幫助提高容量，但它也有意在傳輸信號(hào)中引入干擾。這意味著與正交多址（OMA）相比，需要更高的信號(hào)干擾加噪聲比（SINR）值來(lái)解碼接收信號(hào)。由于并非所有用戶都滿足使用這種多址（MA）方法的要求，因此僅考慮與NOMA的系統(tǒng)是不完美的，因此期望將NOMA與OMA相結(jié)合的混合MA系統(tǒng)。

本文在移動(dòng)場(chǎng)景下的反向散射混合多址模型中，實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的高速率傳輸性能。推導(dǎo)出混合多址中的動(dòng)態(tài)配對(duì)閾值表達(dá)式，以確定良好的通信以及配對(duì)策略，提高了NOMA的有效性，并且基于此模型提出了一種匹配最佳信道增益差的用戶配對(duì)算法，算法可以最大化地保證NOMA配對(duì)用戶組的信道增益差，在實(shí)現(xiàn)較高用戶復(fù)用數(shù)的同時(shí)，提高移動(dòng)場(chǎng)景下的系統(tǒng)速率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量提升。

1" 系統(tǒng)模型

為了證明移動(dòng)場(chǎng)景，考慮一個(gè)半徑為[R]的隨機(jī)航點(diǎn)路模型（RWP）網(wǎng)絡(luò)。基站固定在模型中央，坐標(biāo)為（0，0）。反向散射設(shè)備[U1，U2，…，UM]在設(shè)定好的速度下無(wú)規(guī)則移動(dòng)，其時(shí)變坐標(biāo)為[xt， yt]，則其與基站的距離可以表示為[dt=x2t+y2t]。反向散射設(shè)備的信道變化信息在基站處同步更新。由于反向散射設(shè)備的移動(dòng)性，在不同時(shí)間下信道信息隨時(shí)間變化，則對(duì)系統(tǒng)的研究劃分為不同的時(shí)隙[{t0，t1，t2，…，tN}]，時(shí)隙的大小與設(shè)備的移動(dòng)速度有關(guān)，假設(shè)在時(shí)隙[t0]時(shí)，按反向散射設(shè)備與基站的距離進(jìn)行排序，滿足關(guān)系：[d1（t0）≤d2（t0）≤…≤dM（t0）]，則[h1t02≥h2t02≥…≥hMt02]，[ht02=d-m]，[m]是大規(guī)模衰落路徑損耗指數(shù)。

圖1系統(tǒng)模型說(shuō)明了移動(dòng)反向散射設(shè)備中接收到基站發(fā)射信號(hào)的一部分用于設(shè)備電路運(yùn)轉(zhuǎn)，另一部分作為反向散射信號(hào)反射回基站。反向散射設(shè)備具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

以小區(qū)中信道增益較好的反向散射設(shè)備[Un]為例，基站發(fā)射功率為[P]時(shí)，反向散射設(shè)備接收到的能量為[Pn=Phnt2]，能量收集部分功率為[PH=ρ（1-ηn）Pn]。其中[ρ]為能量采集效率，其反射系數(shù)大小表示為[ηn]，能量收集部分為反向散射設(shè)備執(zhí)行反向散射時(shí)供電。用于信號(hào)傳輸?shù)墓β蕿閇PB=ηnPhnt2]。在場(chǎng)景中，反向散射設(shè)備通信的電路功耗為[γ]，則需要反向散射設(shè)備的反射系數(shù)滿足[0≤ηn≤1-γρPhnt2]才能執(zhí)行反向散射通信。

2" 混合多址系統(tǒng)性能分析

由于用戶的移動(dòng)性，導(dǎo)致反向散射設(shè)備的信道增益隨時(shí)間變化，如果采用可實(shí)現(xiàn)速率較高的NOMA，需要每隔一段時(shí)間來(lái)進(jìn)行配對(duì)與解配對(duì)（頻率與反向散射設(shè)備移動(dòng)速度有關(guān)，較高的移動(dòng)速度則需要更快的配對(duì)與解配對(duì)）。在時(shí)隙[t0]中（以第一個(gè)時(shí)隙為例），假如允許設(shè)備[Uf]與設(shè)備[Un]進(jìn)行NOMA配對(duì)，設(shè)備[Un]的可實(shí)現(xiàn)速率為：

[RNOMAn=0t0Blog21+ηnPhnt4ηfPhft4+σ2dt] （1）

設(shè)備[Uf]的可實(shí)現(xiàn)速率為：

[RNOMAf=0t0Blog21+ηfPhft4σ2dt]" " （2）

假設(shè)在基站處移動(dòng)反向散射設(shè)備的SIC過(guò)程是完美的，[hft2]和[hnt2]對(duì)應(yīng)[Uf]和[Un]的時(shí)變信道增益，滿足瑞利分布，噪聲方差為[σ2]。

對(duì)于用戶[n]而言，變量[ηfPhft4]為與時(shí)間相關(guān)的干擾項(xiàng)，進(jìn)入下一個(gè)時(shí)隙解配對(duì)并進(jìn)行配對(duì)時(shí)，應(yīng)選擇與[hnt]差異較大的進(jìn)行配對(duì)。因?yàn)椋?/p>

[" " "RNOMAn+RNOMAf-ROMAn+ROMAf=Blog21+ηnPhnt4ηfPhft4+σ2+Blog21+ηfPhft4σ2-" " "12Blog21+ηnPhnt4σ2-12Blog21+ηfPhft4σ2=ηnhnt4+ηfhft4ηnhnt2×ηfhft2" " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " "（3）]

當(dāng)[hnt2=ηnηfhft2≈hft2]時(shí)，NOMA較OMA的速率幾乎沒(méi)有優(yōu)勢(shì)。但當(dāng)場(chǎng)景中沒(méi)有合適的用戶進(jìn)行配對(duì)時(shí)，也可以切換OMA。假設(shè)進(jìn)入時(shí)隙[t1]中，設(shè)備[Un]與設(shè)備[Uf]都沒(méi)有符合配對(duì)條件的用戶（配對(duì)條件下文做推導(dǎo)），其切換OMA可實(shí)現(xiàn)速率表示如下：

[ROMAn=t0t112Blog21+ηnPhnt4σ2dt]" （4）

[ROMAf=t0t112Blog21+ηfPhft4σ2dt]" （5）

因?yàn)榉聪蛏⑸湓O(shè)備移動(dòng)導(dǎo)致的位置不確定性，需要考慮基站的發(fā)射功率覆蓋到隨機(jī)航點(diǎn)路網(wǎng)絡(luò)模型邊緣的地區(qū)。在此將速率的最低要求表示為[R0]，則中斷概率[Pout]表示為：

[Pout=Pr{RNOMAflt;R0}Pout=PrηfPhft4lt;σ22R0B-1Pout=Prhft4lt;σ22R0B-1ηfPPout=Prdftgt;ηfPσ22R0B-114m] （6）

在場(chǎng)景模型中，以基站為中心，用戶距離基站最近為[dmin]，最遠(yuǎn)為[dmax]，在移動(dòng)過(guò)程會(huì)出現(xiàn)當(dāng)時(shí)隙[t]時(shí)，[df（t）]趨近于[dmax]，若[ηfPσ2（2R0B-1）14mlt;dmax]，基站發(fā)射功率[Plt;dmax4mσ22R0B-1ηf]，則移動(dòng)到[dmax]的反向散射設(shè)備中斷概率趨近于1，所以保障通信質(zhì)量至少需要[P≥dmax4mσ22R0B-1ηf]。

3" 最佳信道增益差配對(duì)算法

3.1" 配對(duì)閾值

以低信道增益的反向散射設(shè)備為例，與配對(duì)閾值范圍內(nèi)的用戶進(jìn)行NOMA配對(duì)可以實(shí)現(xiàn)較高速率并且避免用戶間干擾過(guò)強(qiáng)。在移動(dòng)場(chǎng)景下，信道增益差距較大、干擾較低，適合部署NOMA，當(dāng)用戶移動(dòng)到一定位置時(shí)，NOMA情況下的中斷概率與OMA情況下的中斷概率相等，可以認(rèn)為兩種通信方式具有相似的性能，并且隨著距離更加靠近，信道增益差減小，NOMA的干擾增強(qiáng)，則NOMA的性能相較于OMA會(huì)變得更差，該位置就是允許NOMA通信的閾值。在NOMA網(wǎng)絡(luò)中，低信道增益的反向散射設(shè)備中斷概率表示為：

[PrRNOMAf≤R0=PrBlog21+ηfPhft4σ2 ≤R0]" （7）

其中斷概率的累積分布函數(shù)為：

[PrRNOMAf≤R0?FXμ=1-exp-μηfd-2mftρ，μ=2R0B-1，" " ρ=Pσ2] （8）

高信道增益的反向散射設(shè)備使用OMA的中斷概率的累積分布函數(shù)，可以表示為：

[?=22R0B-1PrROMAn≤R0=Pr12Blog21+ηnPhnt4σ2≤R0PrROMAn≤R0?FY?=1-exp-?ηnd-2mnρ] （9）

在函數(shù)[FX]和函數(shù)[FY]的交點(diǎn)處，可認(rèn)為兩反向散射設(shè)備具有相似的性能。

[1-exp-?ηnd-2mn.ftρ=1-exp-μηfd-2mftρ]

[dn.ft=?ηfμηn12mdft] （10）

根據(jù)上述等式，在時(shí)隙[t]時(shí)，可根據(jù)低信道增益的反向散射設(shè)備與基站的距離[dft]獲得場(chǎng)景中可與其進(jìn)行NOMA配對(duì)的閾值范圍[dn.ft]，但是反向散射設(shè)備的配對(duì)閾值范圍由于設(shè)備的移動(dòng)性，同為時(shí)間的時(shí)變函數(shù)，在每個(gè)時(shí)隙隨位置變化而更新，如圖3所示，當(dāng)反向散射設(shè)備移動(dòng)時(shí)，閾值范圍同步移動(dòng)，相應(yīng)的配對(duì)/解配對(duì)也會(huì)進(jìn)行。將系統(tǒng)MTV?HMA（Movement Threshold Value?Hybrid Multiple Access）稱為移動(dòng)閾值混合多址。

3.2" 最佳信道增益差配對(duì)算法

通過(guò)僅考慮兩個(gè)NOMA設(shè)備的配對(duì)，降低了接收器側(cè)SIC解碼的復(fù)雜性，從而降低了延遲，所以考慮以兩個(gè)設(shè)備為一個(gè)復(fù)用組的形式。

在系統(tǒng)中的總速率主要決定于其信道增益較好的設(shè)備，要保證高信道增益設(shè)備進(jìn)行NOMA配對(duì)，并且在配對(duì)時(shí)應(yīng)減少對(duì)信道增益較好設(shè)備的干擾，使其與信道增益差盡可能大的設(shè)備匹配，保障其通信質(zhì)量，以實(shí)現(xiàn)更高的系統(tǒng)速率。

在圖4中，以常規(guī)UCGD?NOMA與OMA為例，其可能導(dǎo)致高信道增益的設(shè)備互相配對(duì)，或者高增益設(shè)備無(wú)法匹配信道增益差盡可能大的設(shè)備，有較高的干擾。而MTV?HMA的最佳信道增益差配對(duì)方法在移動(dòng)場(chǎng)景中，可以保證高信道增益設(shè)備復(fù)用NOMA方案，并且可以使配對(duì)設(shè)備的信道增益差最大化，進(jìn)一步降低組間干擾，從而提高了系統(tǒng)速率。

以下對(duì)基于閾值表達(dá)式來(lái)實(shí)現(xiàn)的最大信道增益差配對(duì)算法做具體說(shuō)明。在系統(tǒng)中有[M]個(gè)反向散射設(shè)備隨時(shí)間進(jìn)行隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，配對(duì)與分組方法[t]時(shí)隙更新一次以應(yīng)對(duì)移動(dòng)場(chǎng)景下位置的變化，首先在更新配對(duì)算法時(shí)，以信道增益最低的反向散射設(shè)備作為[U1]，按信道增益升序?qū)υO(shè)備進(jìn)行排序。計(jì)算[U1]的閾值到[U1]范圍內(nèi)的設(shè)備數(shù)[N]。計(jì)算[U1]閾值內(nèi)的設(shè)備數(shù)[M-N]。取兩者的最小值[minN，M-N]劃分為低增益設(shè)備，其余為高增益設(shè)備。之后，從信道增益最高的低增益設(shè)備開始，將每個(gè)低增益設(shè)備與跟其信道增益差最大的設(shè)備配對(duì)。以保證高信道增益的設(shè)備可以匹配與其有最佳信道增益差的設(shè)備，以減小其干擾。配對(duì)方法如圖5所示。

為了簡(jiǎn)化對(duì)于該算法的理解，通過(guò)8個(gè)移動(dòng)的反向散射設(shè)備舉例說(shuō)明這一過(guò)程。當(dāng)設(shè)備運(yùn)動(dòng)到[t1]時(shí)隙時(shí)，出現(xiàn)[Nlt;M-N]，將[U1]到[UN]之間的設(shè)備劃為低信道增益設(shè)備（剩余為高信道增益設(shè)備），根據(jù)閾值允許的條件匹配最大信道增益差的設(shè)備，如果存在不滿足配對(duì)條件的設(shè)備使用OMA。當(dāng)設(shè)備繼續(xù)運(yùn)動(dòng)到[t2]時(shí)隙，出現(xiàn)[Ngt;M-N]，將[U1]到[UM-N]之間的設(shè)備劃為低信道增益設(shè)備（剩余為高信道增益設(shè)備），方式同上，并且在不同時(shí)隙進(jìn)行配對(duì)與解配對(duì)。

4" 仿真實(shí)驗(yàn)與分析

通過(guò)對(duì)比C?NOMA混合OMA、UCGD?NOMA混合OMA在基站傳輸功率與總速率關(guān)系上的表現(xiàn)，來(lái)評(píng)估MTV?HMA方案的有效性。為了表現(xiàn)在移動(dòng)場(chǎng)景下的復(fù)雜情況，在小區(qū)半徑[R]=500 m、帶寬[B]=2 MHz、噪聲[N0=]-174、路徑損失指數(shù)[m]=3的場(chǎng)景下，構(gòu)建了隨機(jī)航點(diǎn)路模型網(wǎng)絡(luò)。在圖6中，研究總時(shí)間為300 s內(nèi)的低速移動(dòng)情況。在小區(qū)中設(shè)置目標(biāo)[{x，y}]位置和速度，并將其歸一化，以描述移動(dòng)反向散射設(shè)備隨距離的變化。在圖中將移動(dòng)速度設(shè)置為5 m/s。由于反向散射設(shè)備的移動(dòng)性，將每個(gè)時(shí)隙設(shè)定在2 s，并在每個(gè)時(shí)隙初進(jìn)行配對(duì)，每個(gè)時(shí)隙末由于移動(dòng)性造成的信道時(shí)變而進(jìn)行解配對(duì)。由于傳統(tǒng)UCGD?NOMA和C?NOMA在配對(duì)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)信道增益較好的用戶無(wú)法匹配與其信道增益差最佳的用戶，以及小區(qū)中心區(qū)域用戶無(wú)法成功配對(duì)，以上情況會(huì)導(dǎo)致高信道增益用戶在復(fù)用用戶組中受到較大的干擾，或用戶無(wú)法形成配對(duì)而使用速率較低的OMA。通過(guò)本文配對(duì)算法解決上述問(wèn)題后，使得系統(tǒng)和速率較UCGD?NOMA與OMA的組合提升33.64%，較C?NOMA與OMA的組合，性能提升46.53%。

圖7通過(guò)對(duì)比C?NOMA混合OMA、UCGD?NOMA混合OMA、MTV?HMA中的NOMA配對(duì)數(shù)與小區(qū)內(nèi)反向散射設(shè)備總數(shù)的關(guān)系，可以觀察到MTV?NOMA比傳統(tǒng)方法能配對(duì)更多的用戶數(shù)。由于傳統(tǒng)配對(duì)方案是機(jī)械性的，無(wú)法滿足復(fù)雜的移動(dòng)場(chǎng)景，容易導(dǎo)致配對(duì)的失敗與不合理。提出的配對(duì)方案根據(jù)設(shè)備位置與信道增益自適應(yīng)調(diào)整，考慮了多種復(fù)雜情況，為設(shè)備選擇配對(duì)提供了更多的可能。在小區(qū)內(nèi)移動(dòng)設(shè)備總數(shù)為90時(shí)，相較于UCGD?NOMA配對(duì)數(shù)提升37.3%，相較于C?NOMA，復(fù)用數(shù)提升45.7%。

圖8分析了小區(qū)中MTV?HMA、UCGD?NOMA混合OMA、C?NOMA混合OMA、OMA技術(shù)在三種不同用戶移動(dòng)速度情況下（低速、中速、高速）的和速率性能。因此，將低速設(shè)置為5 m/s，中速設(shè)置為10 m/s，高速設(shè)置為20 m/s。由于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)速度增加，導(dǎo)致更加頻繁的信道變化，所以用戶的和速率降低。當(dāng)場(chǎng)景中有較多的設(shè)備數(shù)時(shí)，本文的配對(duì)方法基于設(shè)備間的距離位置情況及信道條件進(jìn)行配對(duì)，可以保障最優(yōu)信道增益的設(shè)備復(fù)用NOMA，并且匹配最佳信道增益差的設(shè)備來(lái)降低用戶組間的干擾。相較于UCGD?NOMA與C?NOMA的傳統(tǒng)配對(duì)方法，傳統(tǒng)方法只依賴于排序位置配對(duì)，所以在低速時(shí)，MTV?HMA性能提升尤為出色。但是在移動(dòng)較快的中高速場(chǎng)景下，因?yàn)榕鋵?duì)方法較為復(fù)雜，相較于傳統(tǒng)方法優(yōu)勢(shì)并不明顯。

圖9分析了小區(qū)中MTV?HMA中的NOMA、UCGD?NOMA、C?NOMA技術(shù)在三種不同用戶移動(dòng)速度情況下（低速、中速、高速）的中斷概率，依然將低速設(shè)置為5 m/s，中速設(shè)置為10 m/s，高速設(shè)置為20 m/s，中斷概率定義為中斷中的設(shè)備除以總設(shè)備數(shù)。由于本文提出的配對(duì)方法基于信道增益的時(shí)變特性，可以保證配對(duì)設(shè)備的信道增益差，在低速和中速中表現(xiàn)出了優(yōu)于傳統(tǒng)方法的性能，低速時(shí)中斷概率分別降低83.43%和78.67%。在高速情況下，配對(duì)與解配對(duì)的時(shí)隙不變，但設(shè)備的信道增益在高速下變化的更快，所以性能提升有限。

5" 結(jié)" 語(yǔ)

本文深入研究了反向散射混合多址系統(tǒng)在移動(dòng)場(chǎng)景下的通信方式以及配對(duì)策略，并提出最佳信道增益差配對(duì)算法。仿真結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)方法，MTV?HMA在用戶和速率方面提升33.64%，在復(fù)用用戶數(shù)方面提升37.3%，尤其在低速情況下，和速率與中斷概率表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，因此證明了本文算法的可行性。將來(lái)可以考慮優(yōu)化算法以提高在高速移動(dòng)場(chǎng)景下的性能，并且可以在優(yōu)化反向散射設(shè)備反射系數(shù)、基站發(fā)射功率以追求最大化能效等方面繼續(xù)開展工作。

參考文獻(xiàn)

[1] MOUNCHILI S， HAMOUDA S. Pairing distance resolution and power control for massive connectivity improvement in NOMA systems [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2022， 69（4）： 4093?4103.

[2] AZAM I， SHAHAB M B， SHIN S Y， et al. Energy efficient pairing and power optimization for NOMA UAV network under QoS constraints [EB/OL]. [2020?11?03]. https：//arxiv.org/abs/2011.01449v1.

[3] ANWAR A， SEET B C， LI X J. Hybrid multiple access for 5G downlink systems： Throughput and outage analysis [J]. AEU： International journal of electronics and communications， 2020， 117： 153100.

[4] EJAZ W， SHARMA S K， SAADAT S， et al. A comprehensive survey on resource allocation for CRAN in 5G and beyond networks [J]. Journal of network and computer applications， 2020， 160： 102638.

[5] BAL A， KHAN M R H， PEYAL M K， et al. Performance comparison among hybrid NOMA schemes focusing on outage performance and sum rate arrangement [C]// IEEE 2nd International Conference on Emerging Technology （INCET 2021）. New York： IEEE， 2021： 1?5.

[6] KHAN W U， IHSAN A， NGUYEN T N， et al. NOMA?enabled backscatter communications for green transportation in automotive?industry 5.0 [J]. IEEE transactions on industrial informatics， 2022， 18（11）： 7862?7874.

[7] LYU W， XIU Y， ZHAO J， et al. Optimizing the age of information in RIS?aided SWIPT networks [J]. IEEE transactions on vehicular technology， 2023， 72（2）： 2615?2619.

[8] SHI J， YU W， NI Q， et al. Energy efficient resource allocation in hybrid non?orthogonal multiple access systems [J]. IEEE transactions on communications， 2019， 67（5）： 3496?3511.

[9] MARCANO A S， CHRISTIANSEN H L. A novel method for improving the capacity in 5G mobile networks combining NOMA and OMA [C]// 85th IEEE Vehicular Technology Conference. New York： IEEE， 2017： 1?5.

[10] QIU H， GAO S， TU G F， et al. Position information?based NOMA for downlink and uplink transmission in mobile scenarios [J]. IEEE access， 2020， 8： 150808?150822.

[11] LIU Q， SUN S， HOU J， et al. Resource allocation in NOMA?assisted ambient backscatter communication system [J]. Electronics newsweekly， 2022（11）： 294?295.

[12] NOMIKOS N， CHARALAMBOUS T， VOUYIOUKAS D， et al. Hybrid NOMA/OMA with buffer?aided relay selection in cooperative networks [J]. IEEE journal of selected topics in signal processing， 2019， 13（3）： 524?537.

[13] ZHANG Z， SUN H， HU R Q， et al. Downlink and uplink non?orthogonal multiple access in a dense wireless network [J]. IEEE journal on selected areas in communications， 2017， 35（12）： 2771?2784.

[14] EBRAHIM A， CELIK A， ALSUSA E， et al. NOMA/OMA mode selection and resource allocation for beyond 5G networks [C]// IEEE Annual International Symposium on Personal， Indoor and Mobile Radio Communications. New York： IEEE， 2020： 1?6.

[15] MOUNCHILI S， HAMOUDA S. Efficient pairing distance for better radio capacity in NOMA systems [C]// 2020 4th International Conference on Advanced Systems and Emergent Technologies. [S.l.： s.n.]， 2020： 383?388.

[16] ZHANG B， LI B， HUANG K， et al. Robust secrecy energy efficiency optimization in heterogeneous networks with SWIPT： Centralized and distributed design [EB/OL]. [2019?08?16]. https：//www.researchgate.net/publication/335215153.