非正交多址接入系統下行鏈路簇內用戶數最大化研究

馮鄭慧 李莉 林振 彭張節

摘 要： 針對非正交多址接入系統（NOMA）下行鏈路，基于系統吞吐量最大化原則，對簇內用戶發射功率進行了最優分配，發現簇內用戶數過多會導致簇內吞吐量下降，提出了給定吞吐量最小限值條件下簇內用戶數最大值的估計方案.仿真結果顯示：當給定吞吐量的最小限值為10 Mbit·s-1時，簇中所能包含的最大用戶數為4.

關鍵詞： 非正交多址接入（NOMA）; 功率分配; 用戶配對

中圖分類號： TN 929.5文獻標志碼： A文章編號： 1000-5137（2019）01-0013-07

Abstract： For the downlink of non-orthogonal multiple access system，by use of the principle of system throughput maximization，the transmission power of intra-cluster users was allocated optimally.However it was discovered that the intra-cluster throughput declined with the excessive number of intra-cluster users.An estimation scheme of the maximum number of intra-cluster users under the given minimum throughput limit was proposed.Simulation results showed that the maximum number of users that could be included in a cluster was 4 when the minimum limit for a given throughput was subjected to 10 Mbit·s-1.

Key words： non-orthogonal multiple access（NOMA）; power allocation; user pairing

0 引 言

在5G系統的候選關鍵技術中，非正交多址接入（NOMA）技術因其高頻譜效率而被人們廣泛關注.NOMA系統的子信道傳輸采用正交頻分復用（OFDM）技術，子信道之間互不干擾，但多個用戶可以共享同一頻段內的若干子信道.NOMA系統在發送端采用非正交發送方式，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾刪除（SIC）接收機實現正確解調.SIC接收機可根據用戶信號功率大小不同，按照一定的順序消除干擾，達到區分用戶的目的.

ISLAM等[1]對NOMA的基本概念和應用場景進行了介紹.SHAHAB等[2]為使系統吞吐量和誤碼率達到均衡，在兩用戶場景下，提出了基于二分搜索方案的閾值功率改進分配方案.ALI等[3]研究了在多用戶場景下，根據用戶經歷的信道狀況的不同，對用戶進行分簇，基于此分析了上下行鏈路的功率分配問題.WANG等[4]結合OFDM技術，將兩用戶場景拓展到多輸入多輸出場景，但計算復雜度有待降低.SHAHAB等[5]在傳統用戶配對的基礎上，提出了混合用戶配對方案和統一信道增益差配對（UCGD）方案，有效解決了由于用戶配對造成的吞吐量差異等問題.曹雍等[6]為提高邊緣小區用戶公平性問題，提出了一種新的功率分配策略：根據比例公平方法，在保證每個用戶最低數據傳輸速率的情況下，最大化復用公平性最差的用戶的比例公平因子.張德坤等[7]介紹了NOMA系統下行鏈路接收端的干擾消除算法，并將檢測算法和SIC算法相結合，有效去除了用戶間干擾.

上述研究都假設NOMA系統單個簇中的用戶數固定，且均沒有分析同一頻段中的單個用戶簇所能包含的用戶數.隨著未來用戶數的上升，從提高頻譜效率的角度出發，如何在保證吞吐量的前提下最大化單簇中的用戶數，逐漸成為需要進一步研究的問題.本文作者對NOMA系統下行鏈路中的用戶進行分簇，基于系統吞吐量最大化的原則，對用戶發射功率進行了最優分配;基于最優功率分配方案，在給定吞吐量最小限值條件下，保證吞吐量最大的同時，研究了NOMA系統同一頻段中單簇內最大用戶數的優化問題.

1 系統模型

設NOMA系統下行鏈路的一個用戶簇中包含K個用戶，用戶共享ω個信道帶寬為B的子信道.基站端根據用戶通信鏈路的增益進行簇內用戶間的功率分配，隨后疊加簇內用戶的發射信號.接收機通過SIC算法檢測出各用戶信號.

2 下行鏈路功率分配

設NOMA系統中請求接入的用戶數M遠大于系統可用的子信道數T，一般將共享同一頻段內子信道的用戶稱為一個用戶簇.采用下列分簇方案.

2.1 用戶分簇

具體步驟為：基站將用戶按照各自鏈路的增益由大到小的順序進行排序，并以此作為用戶的序號，依次為每條子信道分配用戶，將共享同一條子信道的用戶定義為一組，則每組包含T個用戶。為平衡各用戶簇之間的吞吐量差異，從每組中選擇1個用戶， 共同構成一個用戶簇，同一組中的用戶均與其他組的用戶形成新的用戶簇，故最終形成T個用戶簇，每個簇中包括K個用戶，第t個用戶簇βt中包涵的用戶序號集合為：

2.2 簇內用戶間的最佳功率分配

4 實驗結果及分析

4.1 參數設置

假設簇內用戶數為K，共享子信道個數ω為5，每個子信道帶寬B為180 kHz.假設前K-1個用戶的歸一化鏈路增益是由大到小間隔為5 dB，當第K個用戶的歸一化鏈路增益最大值不超過第K-1個用戶時，研究單用戶簇總吞吐量性能.NOMA系統用戶簇的發射總功率Pt為23 dBm，SIC接收機處的檢測閾值Ptol為10 dBm.參考目前關于5G數據傳輸速率最高可達100 Mbit·s-1的標準，不失一般地，設系統吞吐量最小限值為10 Mbit·s-1.

4.2 仿真結果分析

介紹了NOMA系統下行鏈路的用戶分簇和功率分配技術，研究了單簇用戶數最大化問題.以單用戶簇吞吐量最大值為目標函數，同時用吞吐量最小限值對其進行約束，得到單簇內用戶數最大的優化模型.仿真結果表明：在給定吞吐量限值下，單用戶簇內的用戶數存在最大值.NOMA系統單用戶簇中用戶數上限的解析表達還有待進一步研究.

參考文獻：

[1] ISLAM S M R，AVAZOV N，DOBRE O A.Power-domain non-orthogonal multiple access （NOMA） in 5G systems：potentials and challenges [J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2017，19（2）：721-742.

[2] SHAHAB M B，KADER M F，SHIN S Y.On the power allocation of non-orthogonal multiple access for 5G wireless networks [C]//2016 International Conference on Open Source Systems and Technologies.Lahore：IEEE，2016：89-94.

[3] ALI M S，TABASSUM H，HOSSAIN E.Dynamic user clustering and power allocation for uplink and downlink non-orthogonal multiple access （NOMA） systems [J].IEEE Access，2016，4：6325-6343.

[4] WANG C L，CHEN J Y.Power allocation for a downlink non-orthogonal multiple access system [J].IEEE Wireless Communications Letters，2016，5（5）：532-535.

[5] SHAHAB M B，IRFAN M，KADER M F，et al.User pairing schemes for capacity maximization in non-orthogonal multiple access systems [J].Wireless Communications and Mobile Computing，2016，16（17）：2884-2894.

[6] 曹雍，楊振，馮友宏.新的NOMA功率分配策略 [J].通信學報，2017，38（10）：157-165.

CAO Y，YANG Z，FENG Y H.New NOMA power allocation strategy [J].Journal on Communications，2017，38（10）：157-165.

[7] 張德坤.非正交多址系統功率分配及干擾消除算法研究 [D].哈爾濱：哈爾濱工業大學，2015.

ZHANG D K.Research on power allocation and interference cancellation algorithms for nonorthogonal multiple access systems [D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.

（責任編輯：包震宇，顧浩然）