非正交多址系統下行鏈路的功率分配研究

葛子楊

（南京工業大學計算機科學與技術學院，江蘇 南京 210000）

引言

5G新技術下，非正交多址系統的應用，開辟了功率域，促使不同的用戶可以共享同一塊時頻資源塊，而且，可以在提高系統吞吐量的基礎上，提高頻譜效率。在發送端，給不同的用戶分配不同的溝通率，將用戶信號疊加在一起，進行發送與傳輸。因此，利用非正交多址系統對用戶信號進行檢測與分離，可實現信號傳輸水平的進一步提升。結合非正交多址系統的實際應用情況，對非正交多址系統下行鏈路的功率分配進行研究，對提高非正交多址系統的用戶吞吐量以及提高頻譜利用率等方面有積極作用。

一、非正交多址系統的接入方式分析

現有通信系統大多是采用時分多址、頻分多址、碼分多址等正交多址方式對用戶進行多址接入，而最新提出的非正交多址接入方式，可以在同一塊時頻資源上承載多個不同的用戶，并給用戶分配不同的功率，對用戶疊加進行信號的傳輸進行控制，對提高頻譜效率以及系統容量等方面有積極作用。非正交多址接入技術的應用，可通過與傳統的移動通信系統中的計入技術進行對比分析，可提高系統容量以及頻譜效率，而且，在發送端，非正交多址系統可以為不同的用戶分配不同的功率，并在同一時頻資源塊上發送出去，由于復用在同一時頻資源塊下的各用戶不具備信號的全正交性，所以，在接收端，通過串行干擾消除技術，消除其他用戶的多址干擾，達到解調用戶信號的目的。在對功率分配算法進行研究中，利用迭代注水功率分配算法，通過各用戶所在子載波信道狀態的不同來分配不同的功率。功率分配算法在理論上，可以逼近非正交多址系統的吞吐量上限。但是，由于其計算的復雜度比較高，所以，在實際計算的過程中，需要通過多次迭代才能得到最優解，其工程應用水平仍需進一步提升

張昱，李昊（2021）在對圖樣分割多址技術的實際應用進行研究中，在多天線的系統中，可通過圖像分割處理的方式，對發送、接收等方面進行綜合控制，通過利用置信船舶算法，提高非正交多址系統下行速率控制效果。聯合優化兩用戶的編碼功率分配因子進行控制的基礎上，可提高非正交多址系統平均下行速率有積極作用[1]。

張軍霞，程慈航（2021）為提高系統的并發用戶量以及降低系統能好，在對接入的用戶分組方案進行優化中，利用聯合功率分配的分組算法，對組內的最優解調順序進行控制，實現系統性能的進一步提升[2]。

李云，蔡麗娟（2021）非正交多址接入允許在統一時頻資源上復用多個用戶，提高非正交多址系統的用戶接入數量以及頻譜頻率。在對基站動態調整過程進行優化中，則需要從分數階功率分配算法調整與控制的角度，利用拉格朗日函數，在約束條件下，獲得用戶購買的最優功率[3]。

宋傳旺（2021）非正交多址系統接入技術的應用，則是對非正交多址系統的中斷性能、下行鏈路場景等方面進行解碼處理，并對轉發協議的分布以及信噪比變化等方面進行綜合控制，利用仿真分析，實現對中繼位置、信道質量、中繼個數對系統中斷概率的變化規律進行量化，對中繼選擇策略的性能優勢提升方面有積極作用[4]。

二、非正交多址系統下行鏈路的功率分配算法

非正交多址系統在實際應用中，則需要從時域、頻域、碼域等基礎上引入功率域，在發送端，為不同的用戶分配不同的功率。在利用串行干擾消除技術正確解調用戶信號中，還可以對用戶功率進行分配，保證非正交多址系統的吞吐量以及用戶公平性方面達到最優解。在對非正交多址系統下行鏈路的功率分配進行分析，在不同用戶分組方案建立的基礎上，對不同用戶之間的干擾進行分析，對提高非正交多址系統的吞吐量方面有積極作用。在建立多種用戶分組算法的過程中，采用隨機分組算法以及瞬時速率分析的方式，實現非正交多址系統下行鏈路的功率分配水平提升。

桂一琳（2021）在對非正交多址接入方式進行研究與分析中，則通過與傳統的移動通信進行對比，在非正交多址系統下，可對用戶分配的功率變化進行調整，提高用戶信號的綜合處理效果。在多用戶共享接入技術的應用下，對多元碼序列進行調整，并根據用戶信號變化，對不同編碼方式進行調整，這對用戶信息的綜合處理水平有積極作用[5]。

楊一夫，武剛（2020）結合非正交多址系統的應用原理，對非正交多址系統的多用戶共享接入以及稀疏碼多址接入技術，對非正交多址系統下行鏈路的功率分配性能進行優化，對實現非正交多址系統下行鏈路的功率分配水平提升方面有積極作用[6]。

李澤（2019）基于大尺度衰落的用戶分配方案以及貪婪算法下的用戶分配方案的應用，可通過頻譜效率對比與檢驗的方式進行分析，在非正交多址下行鏈路模型中，可通過貪婪算法，獲得更高的頻譜效率，但是，計算的復雜程度比較高，需要對路徑損耗指數進行計算，提高功率分配水平[7]。

馮鄭慧（2019）非正交多址系統下行鏈路的用戶功率分配，則需要對簇內吞吐量進行控制。提出給定吞吐量最小限值的條件下，簇內用戶數最大值的估計方案，將給定吞吐量的最小限值控制為10Mbit·s-1的狀態下，非正交多址系統的簇中最大用戶數為4[8]。

三、非正交多址系統下行鏈路功率分配中干擾消除算法的應用研究

非正交多址系統下行鏈路的功率分配，在發送端將用戶信號疊加在一起，病進行發送，所以，各用戶信號會共享同一時頻資源塊，采用非正交的方式進行發送與傳輸，對提高頻譜利用率方面有積極作用。在對干擾消除算法的實際應用進行分析中，結合用戶的信號矩陣關系，對發送信號估計、功率分配算法應用等方面展開討論。非正交多址系統接入技術在實際應用中，以正交頻分復用技術與功率域融合，基站將多個用戶疊加在同一子頻帶上進行傳輸，每個用戶分配不同的發送功率，在時頻資源上進行復用，并利用OFDM調制發送。在接收端，利用正交頻分復用解調技術對疊加用戶信號進行處理，并對多個用戶信號進行疊加與處理，達到干擾消除以及多用戶檢測的目的。將不同用戶的信號解調出來后，可對消除模塊進行處理，提高非正交多址系統下行鏈路功率分配處理水平。非正交多址系統在發送端給不同的用戶分配不同的功率使其在功率域進行用戶疊加，而在接收端則要采用串行干擾消除接收機對信號進行檢測分離，因此，在發送端，基站采用合適的功率分配方案，給所有用戶自適應地分配不同的功率，這種理念不僅可以用來區分用戶，而且可以最大程度地利用功率資源，在提升系統吞吐量以及頻譜效率的同時，也可以保證用戶之間的公平性。

李偉琪，王浩（2019）在對串行干擾消除算法的實際應用分析中，通過信道分析以及估計的方式，獲取用戶的信道估計矩陣，并進行求逆，依次與用戶的信號矩陣相乘，獲得用戶期望信號。在迫使信道增益的狀態下，實際信道中不可避免地會出現噪聲，所以，可對噪聲進行消除處理，降低接收性能不佳的情況出現[9]。

劉玉婷（2018）基于最小均方誤差檢測的串行干擾消除算法應用，以發送信號估計的均方最小為基本目標，在信道分析與估計的過程中，可以通過計算獲取權向量矩陣，計算矩陣各行的歐式距離，利用歐氏距離最小的一行，與信號矩陣進行相乘，從而獲得解調功率的最大信號值[10]。

李晴（2020）利用全空間搜索功率分配算法，對所有用戶以及分組情況等進行搜索，并從功率分配計算的角度，提高非正交多址系統的數據分析與識別水平。在數據消除以及多用戶分析中，則需要在最小均方誤差檢測的基礎上，對非正交多址系統下行鏈路的吞吐量進行控制，提高用戶信號的綜合處理水平[11]。

侯國琛（2020）分析非正交多址系統的應用，則是利用串行干擾消除技術，對用戶信號進行解調，在對用戶功率進行分配與調整的基礎上，可提高非正交多址系統的數據傳輸、信息處理水平。通過對用戶功率進行合理的分配，促使非正交多址系統在吞吐量與用戶公平性方面可達到最優，功率分配算法在實際應用下，可提高非正交多址系統的整體性能。在信道增益與功率分配的基礎上，對功率分配因子閱讀，用戶之間分配的功率差值越小，這對功率分配以及信道狀態檢驗水平提升有促進作用。功率分配因子在非正交多址系統設計中便可以確定，在用戶功率分配以及非正交多址系統吞吐量計算的前提下，可事先功率分配與數據分析處理水平的綜合提升[12]。

四、基于能量效率的功率分配研究

在利用能量效率對非正交多址系統下行鏈路的功率分配進行研究中，則需要結合非正交多址系統下行鏈路的運行特點，對線性信號進行檢測，并將群體優化問題與用戶的信號干擾問題等方面進行控制。因此，利用粒子群算法，對非正交多址系統下行鏈路的相關參數進行初始化，并對慣性權值進行統計，分別對加速因子、粒子群數量等方面進行檢驗與分析。在對粒子的初始適應值進行分析中，以局部最優解為依據，可通過適應度函數進行計算。在對功率分配進行研究與分析中，則需要針對非正交多址系統下行鏈路頻帶間的功率分配進行綜合而控制，在實現功率分配以及參數分析的基礎上，可降低功率分配過程中，多用戶之間功率分配的干擾。在對粒子位置以及局部最優值進行計算與分析中，可對適應值進行檢驗與分析，并獲得迭代數據。在對仿真參數進行設置中，采用串行干擾消除技術，對多址干擾問題進行處理。在通信系統中，可對下行鏈路的數據傳輸能效進行評估。因此，在進行參數設置的過程中，最大發射功率設置為40dBm，子頻帶帶寬的數值為15kHz，電路損耗為2W，功率放大因子為4，噪聲功率譜密度為-174dBm/Hz，用戶最小數據的傳輸速率為500bps。在對能量效率與最大發射功率之間的關系進行分析中，其實際關系情況如圖1所示。

圖1 不同優化指標下系統能量效率與最大發射功率之間的關系

在其他變量確定的前提下，以基站最大發射功率Pmax為自變量，以能量效率η衡量分配方案的性能。基于能量效率的功率分配方案性能曲線可以清楚地看到，當基站最大發射功率慢慢增加時，非正交多址系統下行鏈路的能量效率呈現一種慢慢上升然后漸漸趨于平緩的趨勢。當基站最大發射功率達到25dBm時，系統能量效率達到最大，基本保持不變。這主要是因為一開始時基站的最大發射功率對系統能量效率產生了較大的約束，之后隨著基站最大發射功率的增加，系統已經找到了最優的功率分配方案，不會消耗多余的功率，所以能量效率趨于穩定。而從基于小區容量的功率分配方案性能曲線可以清楚地看到，當基站最大發射功率慢慢增加時，非正交多址系統下行鏈路能量效率呈現出一種先上升再下降的趨勢，拐點大概是在基站最大發射功率為28dBm處。在實現功率分配最大化的基礎上，可實現非正交多址系統下行鏈路的綜合控制效果提升。

結語

非正交多址系統下行鏈路的功率分配研究，則需要從接入方式、功率分配算法應用、干擾消除算法應用等角度展開研究，結合非正交多址系統下行鏈路的運行及吞吐量控制，則需要從資源調度、干擾消除等角度進行綜合控制，從而實現非正交多址系統下行鏈路的功率分配調控水平提升。在終端連接數目的增長視角下，則需要對用戶數的資源數目以及用戶分組、功率分配算法等方面進行優化，提高非正交多址系統下行鏈路的功率分配水平提升。