5G通信網(wǎng)絡(luò)中基于BAT算法的NOMA系統(tǒng)功率分配方法

【摘要】? ? 由于無(wú)線通信系統(tǒng)中頻譜資源的稀缺性，優(yōu)化資源分配的需求日益增加。非正交多址接入（Non-orthogonal multiple access，NOMA）被認(rèn)為是第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)（5G）的一種理想的多址方案，其特點(diǎn)是頻譜效率高，容量大，能為用戶靈活的配置無(wú)線資源。本文提出一種NOMA系統(tǒng)下的資源分配方案，目的是使系統(tǒng)的吞吐量最大化。將資源分配問(wèn)題分成兩個(gè)子問(wèn)題：用戶信道分配問(wèn)題和功率分配問(wèn)題，提出一種基于BAT算法的最優(yōu)功率分配方案。將提出的方案與基于粒子群優(yōu)化的功率分配方案和隨機(jī)功率分配方案進(jìn)行了比較。仿真結(jié)果表明，我們提出的方案在提高小區(qū)吞吐量方面表現(xiàn)更優(yōu)。

【關(guān)鍵詞】? ? 5G? ? NOMA? ? 信道分配? ? BAT算法? ? 功率分配

引言：

第五代無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò) （5G）需要低延遲、高可靠性、用戶的大規(guī)模連接性，并在資源分配方面提高公平性[1]。NOMA維護(hù)了用戶的公平性，同時(shí)為頻譜稀缺問(wèn)題提供最佳解決方案。此外，在下行鏈路NOMA中，在發(fā)射機(jī)處執(zhí)行疊加編碼，而在接收機(jī)處執(zhí)行串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC），將不同用戶的信號(hào)分離、解調(diào)。因此，NOMA提高了系統(tǒng)的頻譜效率和性能[2]，是5G網(wǎng)絡(luò)中最有前途和最重要的技術(shù)。

一、系統(tǒng)模型

假設(shè)我們的模型是一個(gè)單基站單天線系統(tǒng)，共有N個(gè)用戶，K個(gè)子信道。系統(tǒng)總帶寬為B，將總帶寬平均分給K個(gè)子信道，則每個(gè)信道的帶寬為B/K。讓第n個(gè)用戶占據(jù)第k個(gè)信道，n∈（1，N），k∈（1，K） 。基站向每個(gè)子信道上發(fā)送分配在該子信道上的用戶的NOMA疊加信號(hào)。由NOMA協(xié)議可以得到，發(fā)射端，從基站發(fā)送到第n個(gè)用戶的疊加信號(hào)y1為：

（1）

其中，假設(shè)子信道k上分配的用戶數(shù)為Mk，由基站發(fā)射的傳輸信號(hào)由sn表示。pk表示第k個(gè)信道基站的傳輸功率。ak，n表示第k個(gè)信道上第n用戶的功率分配系數(shù)。

接收端，在第k個(gè)信道上第n個(gè)用戶處接收到的信號(hào)y2可以表示為：

（2）

其hk，n為第k個(gè)信道上第n個(gè)用戶的信道增益系數(shù)。zk，n是均值為0，方差為的加性高斯白噪聲。假設(shè)hk，n遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，hk，n越大表示信道條件越好。定義第k個(gè)信道上第n個(gè)用戶的信干噪比SINR為：

（3）

其中表示噪聲功率，并假設(shè)有完美的無(wú)差錯(cuò)解碼，即SIC在解調(diào)用戶信號(hào)時(shí)無(wú)差錯(cuò)，可實(shí)現(xiàn)的傳輸速率為：

（4）

為了使NOMA系統(tǒng)的吞吐量達(dá)到最大，可以將優(yōu)化問(wèn)題建模為：

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

其中xk，n是用于信道選擇的二進(jìn)制變量，xk，n=1表示第k個(gè)信道由n個(gè)用戶共享，否則xk，n=0。

我們的目標(biāo)是優(yōu)化我們的下行NOMA網(wǎng)絡(luò)的總體吞吐量。式（6）表示BS在每個(gè)下行信道上的傳輸功率系數(shù)之和為1。式（7）表示每個(gè)功率分配系數(shù)不能為負(fù)，式（8）保證了每個(gè)用戶的最小速率約束。式（9）和式（10）限制每個(gè)用戶最多被分配一個(gè)信道。

式（5）描述了信道選擇與功率分配的聯(lián)合問(wèn)題。該優(yōu)化問(wèn)題為非凸優(yōu)化問(wèn)題，復(fù)雜度太高。因此，我們將該問(wèn)題分解為子信道分配和功率分配問(wèn)題兩部分。

二、 信道分配方案

根據(jù)NOMA的概念：大量用戶被容納在同一信道上，非正交地共享信道。因此，我們的任務(wù)是將最適合的信道分配給特定的用戶。對(duì)于一個(gè)子信道，為了獲得該子信道的最大和速率，最優(yōu)的子信道分配方案是將在該子信道中具有最高信道增益系數(shù)的兩個(gè)用戶分配在該子信道中。

分配給用戶的信道增益系數(shù)遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，這表明在k信道上，用戶1比用戶2和用戶3具有更好的信道條件。信道分配問(wèn)題只是一個(gè)二元線性規(guī)劃問(wèn)題，在此不再贅述。

三、功率分配方案

BAT算法是受蝙蝠回聲定位捕食行為啟發(fā)，提出的一種基于迭代優(yōu)化技術(shù)的新型群智能優(yōu)化算法。在本節(jié)中，我們利用BAT算法對(duì)功率分配問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化。第i個(gè)蝙蝠的位置xi被定義為分配給用戶的功率。我們的主要目標(biāo)是通過(guò)優(yōu)化發(fā)射功率來(lái)提高整個(gè)小區(qū)用戶的信道容量。式（11）表示需要優(yōu)化的用戶的發(fā)射功率集合。

（11）

根據(jù)式（12）、（13）和式（14），蝙蝠的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行更新。其中的f表示蝙蝠尋找獵物的頻率。而fmin和fmax依次表示頻率的上下界。β表示[0，1]之間的隨機(jī)向量。第i個(gè)BAT的速度和位置分別用vi和xi表示，其中t表示當(dāng)前迭代數(shù)，X*表示到目前為止所建立的當(dāng)前最佳狀態(tài)[10]。

（13）

（14）

（15）

當(dāng)從初始階段選取當(dāng)前最優(yōu)解時(shí)，利用隨機(jī)游動(dòng)方程，即

（16）

式（11）中At表示所有蝙蝠的平均響度，是[-1，1]之間的隨機(jī)數(shù)。在每次迭代中，響度和發(fā)射脈沖頻率由下面的等式更新。

（17）

（18）

α∈（0，1），是響度衰減系數(shù)。，是脈沖頻率增強(qiáng)系數(shù)。表示蝙蝠i的初始脈沖頻率。

四、結(jié)束語(yǔ)

本文討論了在NOMA系統(tǒng)中，用戶的資源分配問(wèn)題，目的是使系統(tǒng)的吞吐量最大化。將資源分配問(wèn)題分成兩個(gè)子問(wèn)題：用戶信道分配問(wèn)題和功率分配問(wèn)題，給出了一種基于BAT算法的最優(yōu)功率分配方案。

作者單位：呂雨桐? ? 內(nèi)蒙古電力科學(xué)研究院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] J. G. Andrews et al.， “What Will 5G Be？，” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications， vol. 32， no. 6， pp. 1065-1082， June 2014.

[2] B. Liu， C. Liu， M. Peng， Y. Liu and S. Yan， “Resource Allocation for Non-Orthogonal Multiple Access-Enabled Fog Radio Access Networks，” in IEEE Transactions on Wireless Communications， vol. 19， no. 6， pp. 3867-3878， June 2020.

[3] J. Zhu， J. Wang， Y. Huang， S. He， X. You and L. Yang， “On Optimal Power Allocation for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access Systems，” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications， vol. 35， no. 12， pp. 2744-2757， Dec. 2017.