基于非正交多址的電力無線專網技術研究

鄭偉軍，儲建新，程振杰

（1.國網浙江省電力有限公司嘉興供電公司，浙江 嘉興 314000；2.北京郵電大學，北京 100876）

0 引言

隨著我國工業化和信息化融合的不斷深入，無線電頻譜供需矛盾日益凸顯。一方面隨著新興無線通信業務的不斷發展，頻譜資源日趨緊張。另一方面，已有的低效遺留系統頻譜資源利用效率低下，難以改造。國家無線電管理委員會1991年5 號文規定了將223.025～235.000 MHz 頻段（以下簡稱230 MHz 頻段）劃分為480 個頻點，在每個25 kHz 頻點，傳統數據傳輸系統僅提供9.6 kbps 的傳輸速率[1]，無法滿足智能電網等新興業務高速傳輸的需求。經過近十年的研發與網絡示范，基于LTE 技術的LTE-G 230 系統已通過國家工業與信息化部相關部門鑒定。國家無線電管理委員會于2018 年9 月下發工信部無〔2018〕165號文件，調整了LTE-G 230 系統中223～226 MHz和229～233 MHz 頻段的使用規劃：“為滿足電力、燃氣、人防、水務等行業無線數據傳輸和能源互聯網應用需求，將該頻段用于采用TDD（時分雙工）方式載波聚合、動態頻譜共享技術的無線數據傳輸系統”，同時“鼓勵相關行業部門采用共網模式使用223～226 MHz 和229～233 MHz 頻段；建網單位應按照公平合理負擔和節約資源的原則，為共網部門、單位提供可靠、高質量的業務和應用服務”。

當前電力無線專網無法滿足電力物聯網未來大規模萬物互聯的需求。傳統正交多址接入方案中，可用正交資源的數量嚴格限制了可支持用戶的最大數量。諸如電力物聯網這種大規模連接時，正交多址接入已經嚴重限制了系統容量。比如，在當前的LTE-G 230 系統中，用于標識一個終端用戶的小區無線網絡臨時標識長度為7 bit，理論上一個25 kHz 頻點上僅可以標識128 個用戶。而3GPP Rel 15 定義的mMTC 業務需要在一平方公里范圍可接入一百萬終端[2]。可以看出，當前LTE-G 230 系統的容量與智能電網應用需求存在巨大落差，此問題必須得到有效解決。

同時，快速發展的移動互聯網和IoT（物聯網）導致了對5G（第五代移動通信系統）的挑戰性要求，NOMA（非正交多址接入）已成為設計第五代無線網絡接入技術的重要原則[3]，是下一代移動通信網絡的候選技術之一[4]。

理論上已表明，NOMA 可以提供更好的系統容量和頻譜效率[5]，特別適合這種海量機器類業務場景。與OMA（正交多址）技術相比，NOMA 允許大量用戶同時連接到無線網絡。同時，已經證明了NOMA 在無線網絡的上行鏈路和下行鏈路上可以比OMA 實現更大的總吞吐量和更高的公平性。

1 非正交多址技術

NOMA 方案基本上可以分為兩類： 功率域NOMA 和碼域NOMA。在功率域NOMA 中，不同的用戶根據其信道質量被分配不同的功率電平，而相同的時頻碼資源在多個用戶之間共享。在接收機端，功率域NOMA 利用用戶的功率差異，以便基于SIC（連續干擾消除）來區分不同的用戶[6-7]。對于功率域NOMA，當前研究熱點在于多用戶功率分配[8]、NOMA 與MIMO（多輸入多輸出）系統的結合[9]、多小區網絡中NOMA 系統[10]和用戶配對[11]等問題。用戶配對技術對功率域NOMA系統性能影響較大。

用戶配對技術是影響NOMA 系統性能的重要因素。在NOMA 中，用戶配對和用戶之間的最佳功率分配需要復雜的算法，以使用最少的資源來提供最佳性能[12]。Zhang H 等人研究了NOMA異構網絡中的能量效率問題，并指出配對問題是一個有挑戰的關鍵問題[13]。Shahab M B 等人分析了蜂窩網里遠端用戶比近端用戶多的場景下用戶配對策略，以優化使用頻譜獲取最大頻譜效率[14]。Yang Z 等人研究了下行NOMA 系統的功率控制和每個子載波上的用戶分簇問題，綜合考慮系統的發送功率和譯碼功率，以達到最小化功率消耗的目的[15]。Cheng Y 等人研究了多信道多用戶NOMA 系統中聯合用戶配對和子信道分配策略，以最小化用戶的中斷概率[16]。Zhang X Y 等人提出了基于爬山搜索和模擬退火的方法用于用戶配對[17]。Liang W 等人在下行NOMA 網絡中提出了一種分布式匹配算法，旨在根據用戶的目標速率要求優化弱用戶和強用戶之間的用戶配對和功率分配，并設計了一種使用自適應Turbo 網絡編碼調制方案，提高了系統吞吐量[18]。Daniel K.C.So等人提出了一種垂直配對的概念和分級的功率匹配過程，將用戶分為兩組，從而應用封閉形式的功率分配解決方案[19]。Zhu L 等人研究了下行NOMA 系統聯合用戶配對和功率分配問題，給出了保證用戶最小速率條件下最大化系統速率的方法[20]。

以上這些研究基本上是在5G 高頻段情況下開展的研究。230 MHz 電力無線專網使用的是窄帶離散頻段。對于230 MHz 電力無線專網如何利用非正交多址技術，當前仍沒有文獻進行論述。

2 網絡模型與問題描述

2.1 網絡模型

本文研究在230 MHz 電力無線專網中的多用戶終端接入問題。考慮到接入時每個終端必須具有最低數據速率的QoS（服務質量）需求，對NOMA 網絡下行鏈路傳輸過程中用戶配對和功率分配的問題進行了建模。

考慮一個小區中有一個BS（基站）和N 個隨機分布的用戶的下行鏈路蜂窩網絡。單個基站將信號發送到由Nuser={1，2，…，N}表示的一組移動用戶，基站和用戶均裝備一根天線（即單輸入單輸出模型），基站和用戶間的信道條件為平坦衰落信道。系統共有K 個子信道，每個子信道的帶寬由B 表示。基站的總發射功率為ptot，每個子信道分配的功率為pk，以發射功率向第k 個子信道上中第n 個用戶發送信息sk，n，設有mmax個用戶復用在子信道k 上，則BS 在第k 個子信道上發送的疊加后的信號為：

式中： xk，n為1 時表示用戶n 分配在子信道k 上，為0 則表示用戶n 未分配在子信道k 上。因此，在第k 個子信道上，用戶n 接收的信號可表示為：

式中： 第k 個子信道上的用戶n 與BS 之間的信道增益系數hk，n=gPL-1（d）；g 為平坦衰落信道增益；d 為用戶n 與基站之間的距離；PL（g）代表路徑損耗函數；Ni表示加性高斯白噪聲。在接收端，采用SIC 技術，對用戶逐個進行判決，進行幅度恢復后，將該用戶信號產生的多址干擾從接收信號中減去，再對剩下的用戶再次進行判決，這樣循環操作，直至消除所有的多址干擾。

根據香農公式，用戶n 在第k 個子信道上的吞吐量為：

式中： N0表示噪聲的功率譜密度；代表在第k 個子信道上，比用戶n 具有較高信道增益的其他復用用戶對用戶n 的干擾。則子信道k 中的總吞吐量可表示為：

2.2 優化問題描述

本文研究是為在保證用戶最低數據速率的QoS 需求下，最大化系統頻譜效率問題，目標函數可表示為：

式中： 約束條件1 和2 對用戶分配的功率進行了限制；約束條件3 保證了復用在子信道上的用戶數最大為mmax；約束條件4 規定了每個用戶最低數據速率的QoS 需求。

3 基于匹配理論的用戶配對方案

匹配理論是一種有效的技術，可以通過使用參與者的個人信息和他們的偏好情況來解決在兩個不同集合中的玩家的匹配組合問題，目前已有很多從理論和實踐的角度分析雙邊穩定匹配問題的研究。

為減少SIC 接收機解碼的復雜度，本文在測試驗證時，每個子信道上最多可復用2 個用戶，即mmax=2。在NOMA 場景下，在一個子信道中，設功率分配因子為α（α 的取值范圍應為[0，1]），信道條件較好的用戶1 的速率為R1，與基站的距離為d1，則其發送功率為αpk，信道條件較差的用戶2 的速率為R2，與基站的距離為d2，則其發送功率為（1-α）pk。

記用戶1 和用戶2 的和速率為R，即R=R1+R2，R 是關于變量α的表達式，令R 對α 進行求導：

假設N 個在基站周圍隨機分布的用戶，計算每個用戶的信道狀態信息，根據信道條件進行降序排序，將N 個用戶分為多個2 用戶集群，信道條件優的用戶集群由Sstrong集表示，而信道條件差的用戶集群由Sweak集表示，以此構建二分圖。在保證用戶最低速率QoS 的前提下，依次計算Sstrong集和Sweak集中的用戶兩兩配對時的功率分配情況（即α 值）及二者的和速率最大值。使用KM 算法作為配對的規則，以兩用戶的和速率作為二分圖中邊的權重值，確定最終Sstrong集和Sweak集中的用戶配對結果，使得最終的系統頻譜效率達到最大。

為簡化子信道間功率分配，本文將基站總功率平均分配給K 個子信道，則每個子信道k 上復用的用戶功率之和為pk=ptot/K。

4 仿真與結果分析

4.1 仿真參數

本文考慮具有單基站的小區，基站和用戶均裝備單根天線，基站和用戶間的信道條件為平坦衰落信道，N 個用戶隨機分布在距離基站50～5 000 m 的位置，每個子信道的帶寬為25 kHz。假設總的用戶數N 為偶數。若N 為奇數，則某個子信道上只有一個用戶。子信道的數目為N/2。仿真參數如表1 所示。

表1 仿真實驗參數

4.2 結果分析

根據國家工信部無〔2018〕5 號文件要求，230 MHz 基站每端口每載波輸出功率不高于30 dBm/25 kHz，每端口輸出功率不高于44 dBm。先評估10 個終端用戶在不同發射功率下的頻譜效率，再評估基站總功率44 dBm 時不同終端數下的頻譜效率。所有仿真實驗結果均在單小區內，用戶隨機分布，獨立進行100 次測試后獲得平均值，以獲得統計結果。

用戶最小數據速率為20 kbps 時的仿真結果如圖1 所示，用戶最小數據速率為30 kbps 時的仿真結果如圖2 所示。實驗中，終端數為10 個。采用NOMA 技術的終端每兩個配對，工作在同一個25 kHz 頻點上，共使用125 kHz 頻帶。采用OMA 的終端單獨占用一個頻點，共使用250 kHz頻帶。基站發射功率在各頻點平均分配。從圖1和圖2 可以看出，隨著發射功率的增加，基站下行容量持續增長。但頻譜效率方面，采用NOMA技術的終端始終高于采用OMA 技術的系統。

圖1 頻譜效率（10 用戶，最小速率要求為20 kbps）

圖2 頻譜效率（10 用戶，最小速率要求為30 kbps）

當固定基站發射總功率為44 dBm 時，隨著用戶數的增加，用戶最小數據速率需求為20 kbps 時系統頻譜效率的比較情況如圖3 所示，用戶最小數據速率需求為30 kbps 時系統頻譜效率的比較情況如圖4 所示。采用NOMA 技術的230 MHz 通信系統，在頻譜效率方面遠高于采用OMA技術的系統。需要說明的是，當終端數增加后，單個載波上分配的發送功率下降，造成頻譜效率的降低。在終端數持續增加超過230 MHz 頻帶的可用頻點數時，采用OMA 方式的系統需要采用時分復用方式。而使用NOMA 技術的通信系統，在復用維度上增加了功率域復用，支撐用戶數將呈倍數增加。如果在一個頻點上復用更多用戶，支持用戶數將成比例倍增。當然，這將對SIC 技術的復雜性提出更高的要求。

圖3 頻譜效率（基站功率44 dBm，最小速率要求為20 kbps）

圖4 頻譜效率（基站功率44 dBm，最小速率要求為30 kbps）

5 結語

本文針對下行鏈路NOMA 系統，在LTE-G 230 系統的環境下，提出基于匹配理論的用戶配對方案，實現用戶與用戶配對，并能保證用戶最低速率的QoS 需求，同時，與傳統的正交多址接入技術相比，可以為LTE-G 230 系統提供更好的頻譜效率，有利于當前LTE-G 230 系統應對電力物聯網海量用戶應用的需求。