網絡編碼多址接入下行鏈路系統中的功率多樣化多用戶框架

何敏 程旗 汪小林

四川九洲電器集團有限責任公司 四川 綿陽 621000

1 介紹

為了應對日益增長的無線容量需求，提出了非正交多址接入協議（NOMA），并將其視為第五代（5G）無線網絡中很有前景的頻譜高效利用的方法之一[1-2]。典型的NOMA技術允許多用戶以不同的功率共享同一資源塊從而提高通信系統的頻譜效率。為了進一步提高吞吐量性能，提出了一種新的NOMA架構，稱為網絡編碼多址（NCMA）[3]。與利用連續干擾消除（SIC）的傳統NOMA不同，NCMA將物理層網絡編碼（PNC）與多用戶解碼（MUD）結合起來執行并行解碼[4]。傳統的NCMA方案只考慮了低階調制，只能用于上行場景，限制了NCMA的部署。之后，相關學者又提出了一種增強的符號級解碼器[5]，它保留了比特之間形成的相互關系，將 NCMA 推廣到高階調制。

為了提高遠程用戶的通信性能，提出了一種基于NCMA的協調直接中繼傳輸（CDRT）方法。盡管許多研究人員將注意力集中在 NCMA 上，但以下問題仍未得到很好的解決：①下行NCMA研究不足，與研究充分的上行 NCMA 系統相比，只有少數文章專注于下行場景，尤其是多用戶下行NCMA；②非通用多用戶設計，現有的多用戶NCMA方法需要針對不同的用戶數制定相應的PNC解碼規則，不利于多用戶系統；③以用戶為中心的設計：為了在沒有頻道信息的情況下實現用戶平等，在之前的 NCMA 研究中采用了典型的以用戶為中心的方法（功率平衡設計）。然而，在實踐中，由于潛在的內容多樣性，消息可能具有不同的優先級。以用戶為中心的方法可能無法實現最大的吞吐量性能。

在本文中，我們在NCMA下行鏈路中提出了一種功率多樣化的多用戶架構，稱為PD-NCMA。更準確地說，我們考慮具有兩個階段的以內容為中心的動態多用戶框架。 在第一階段，根據內容級別對用戶進行成對動態分組。（第一階段動態聚類的考慮是雙重的。第一方面是以內容為中心的設計可以利用實際案例中潛在的內容多樣性。此外，每個組中的用戶都可以直接使用傳統的NCMA接收方案而無須特定修改。）與傳統的功率平衡 NCMA (PB NCMA)和基于相位旋轉的 NCMA（PRNCMA）不同，第二階段采用功率分集設計，因為它顯著提高了 MUD 性能，即對提高吞吐量至關重要。

2 多用戶NCMA下行鏈路系統

2.1 系統模型

考慮圖1中由M個用戶和1個基站（BS)組成的下行鏈路系統。M個用戶設備被設計成集群。每個集群包含兩個或一個用戶，而每個設備只能在一個集群中。因此，，其中是一個ceil運算符。假設基站的總功率預算是，且簇間功率相等。因此，集群i的功率滿足。此外，頻率塊被分集正交地占據。因此，分集間的影響可以忽略不計，可以在任何分集中采用傳統的NCMA（或提出的PD-NCMA）方法。

圖1 多用戶NCMA下行鏈路結構

2.2 PD-NCMA的信息處理

在不損失通用性的前提下，選擇一個隨機分集i（i=1,2,...）來描述PD-NCMA方案。兩個不同的用戶設備分別由A和B表示。

一個完整的PD-NCMA下行鏈路傳播包括PHY層和MAC層處理。在集群i中用表示用戶的MAC層的大消息。假設在MAC層考慮Reed-Solomon(RS)Code，將消息編碼為多個包，其中，然后進一步對進行信道編碼為，并在物理層調制成。兩個用戶設備采用相同的調制階數，采用相同的卷積碼作為PHY層信道碼。與傳統的NCMA算法不同，提出的PD-NCMA算法在沒有信道信息的情況下對兩個用戶的底層信號分配不同的功率。在分集i中用表示分配給用戶s的功率。的疊加信號可以表示為：

在集群i中用戶s的接收端接收到的信號為：

3 PD-NCMA中的動態聚類和功率分配設計

在本節中，我們提出了PD-NCMA下行鏈路中的兩階段動態框架。

3.1 以內容為中心的聚類

在傳統的NOMA系統中，信道條件較好的設備將分配較少的功率。這種以用戶為中心的設計的主要目的是最大化總和速率。因此，它要求一個集群中的用戶設備的信道條件有足夠的不同。與NOMA系統不同，我們在PD-NCMA 中考慮以內容為中心的設計。功率分配將根據消息優先級進行動態調整。此外，我們會為具有較高消息優先級的用戶分配更多的權力，以確保他們的通信性能。換句話說，每個集群中的消息級別差異需要足夠大。

由于正在傳輸的內容的潛在多樣性，我們按照優先級（級別）的降序對所有N用戶設備的消息進行排序。用r1≥r2≥…≥rM表示排序后的結果，其中rm=M-m+1,m=1,2,…,M表示消息級別。（即，r1=M是最高消息優先級，rM=1是最低消息優先級。）為了將更多的權力分配給高優先級的消息，我們提出了一種微分聚類方法。

方法1：考慮了兩種情況，如果M是偶數，首先對用戶進行排序，分為2組：{r1,r2,...,rM/2}和{rM/2+1,rM/2+2,...,rM}。然后具有消息優先級ri的用戶設備形成具有rM/2+i,i=1,2,...,M/2的集群（即消息優先級為r1的用戶設備以rM/2+1形成一個簇。）如果M為奇數，則首先將用戶排序并分為2組：{r1,r2,...,r(M-1)/2}和{r(M+3}/2,r(M+5)/2,...,rM}。然后具有消息優先級rm的用戶設備形成一個集群，具有r(M+1+2m)/2,m=1,2,...,(M-1)/2。優先級為r(M+1)/2的設備構成一個單用戶集群。

3.2 動態功率分配

考慮集群i中的功率分配問題，我們假設消息優先級較高的用戶是A，另一個是B。A和B的消息優先級可以分別表示為riA和riB。

由于每個組內的用戶具有不同的消息優先級，我們提出了一種基于優先級的動態功率分配策略。每個集群中的高優先級用戶將被分配更多的權力，如下所示：

其中：s∈{A, B}, i= 1, 2, ..., N, Pi表示集群i的總功率。不失一般性，如果用戶形成單個用戶集群，則該用戶將被分配一個集群的總功率。

3.3 復雜性分析

計算復雜度來自兩部分。在設備聚類部分，采用快速排序算法對用戶進行排序，對應的計算復雜度O（Mlog2M）。對于動態功率分配，計算復雜度主要由（3）式決定，即少量的乘法和加法。與設備聚類部分相比，功率分配帶來的計算復雜度可以忽略不計。因此算法的計算復雜度由快速排序O(Mlog2M) 決定，其中M表示用戶總數。顯然，所提出的方法具有較低的計算復雜度。

4 仿真結果

在下面的實驗中，我們說明了在PD-NCMA下行鏈路中提出的兩階段動態框架的數值結果。我們還將PD-NCMA與傳統的PB-NCMA和PR-NCMA進行了比較。我們采用PD-NCMA來表示所提出的設計。類似地，引入PR-NCMA來表示相位旋轉為45°的PR-NCMA方案。

我們考慮在瑞利信道中有7個用戶的NCMA下行鏈路系統。所有用戶設備共享相同的RS碼參數L=9。此外，所有用戶均采用[133,171]8卷積碼。集群之間的權力是平等的。所有結果都是6000次蒙特卡羅模擬的平均值。對于MUD解碼器的BER性能，每次模擬都是來自所有集群的用戶A（或B）的平均值。 由于PNC解碼器對XOR數據包進行解碼，因此PNC解碼器的每次模擬都是來自所有集群的用戶A和B的平均值。每個模擬中NCMA系統的總吞吐量定義為

其中LA（LB）是用戶A（或B）恢復一個MAC層消息的理論小包數。因此LA（LB）等于RS碼參數L=8。NA（NB）表示用戶A（或B）的MAC層消息的總數。SA（SB）表示用戶A（或B）恢復所有MAC層消息的實際小包總數。

首先，讓我們關注集群中高優先級用戶的MUD性能。PDNCMA和PR-NCMA的性能明顯優于PB-NCMA。由于用戶A和B的相同星座點的疊加嚴重影響了MUD檢測器，因此傳統的PBNCMA幾乎無法工作。PR-NCMA通過人為引入相位旋轉，緩解星座點疊加，有效提升MUD性能。此外，提出的以內容為中心的PD-NCMA采用了差異化的功率配置。具有高優先級的消息用戶被分配更多的功率來提高MUD性能。很明顯，PD-NCMA優于其他算法，這也表明以內容為中心的設計顯著提高了性能。

PD-NCMA和PR-NCMA的PNC性能都顯示出退化，因為不同XOR 星座的最小距離減小了。然而，由于MUD的巨大改進，PNC解碼器的性能下降對整體性能的影響可以忽略不計。這也可以在吞吐量仿真中得到驗證。

PD-NCMA的整體吞吐量性能遠高于PB-NCMA和PRNCMA，尤其是在中低SNR范圍內。總體而言，PD-NCMA可以顯著提高吞吐量。

5 結束語

在本文中，我們提出了NCMA下行鏈路系統中的多用戶架構，并提出了一種基于內容的PD-NCMA方法。我們第一次利用潛在的內容多樣性來執行用戶聚類并在NCMA中分配功率。仿真結果表明，所提出的以內容為中心的設計與傳統的 PRNCMA和PB-NCMA 相比具有良好的性能。