反向散射中基于載波索引的混合NOMA方案

李世寶，陸 銳

(中國石油大學(華東)海洋與空間信息學院，山東 青島 266580)

0 引言

反向散射設計網絡容量低,是因為在單載波調制方案下頻譜效率低,標簽獨占頻譜資源[1-3]。為提高頻譜效率和大規模商業化部署,將多載波與NOMA結合是重要研究方向[4]。在反向散射NOMA系統中,將近區最弱的信號節點與遠區最弱的信號節點配對可以有效提升解碼效率[5],因此基于遠近配對的反向散射系統得到廣泛研究。

然而,反向散射系統存在由路徑損耗引起的雙重近遠效應[6],使得距離能量源更遠的反向散射設備(Backscatter Devices,BD)接收的無線能量比較近的BD少得多。這導致邊緣用戶無法獲取足夠的功率以達到解碼所需信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio,SINR),甚至無法激活通信設備。現有的研究中,使用IRS改變信道環境[7]、中繼轉發[8]、調整基站的發射功率[9]等方式,幫助小區邊緣用戶與基站通信,增加了邊緣反向散射傳感器數量,然而多載波調制的高功耗問題依然沒有解決。

考慮到邊緣用戶的處理能力、能源等約束,可以將具有索引調制(Index Modulation,IM)的OFDM應用于物聯網設備的上行通信[10]。因為IM的能量效率優勢,基于能量均衡的BackCom系統可能會成為未來主流的通信方式[11]?，F有的支持BackCom的IM方案是在空間中借助天線索引進行[12-13],通過激活不同天線攜帶索引信息,基于OFDM-IM的反向散射并沒有被研究[11]。由于OFDM-IM中有源子載波的稀疏性,將OFDM-IM與NOMA結合實現多址接入是可行方案[14]。

本文考慮無源反向散射網絡上行鏈路的傳輸,研究了具有服務質量(Quality of Service,QoS)要求的混合NOMA通信方案。將IM技術引入反向散射NOMA系統,借以改善NOMA邊緣用戶QoS。針對遠端設備能量供應不足的問題,提出了單子載波激活的OFDM-IM方案。利用單載波激活的OFDM-IM不需要逆快速傅里葉變換的特性,降低BD反射激活通信所需門限,提高了遠距離用戶接入數量。

1 反向散射系統模型

本節給出了BD結構和能量傳輸模型,并演示了NOMA遠近配對方案,并在圖1中描述了大規模反向散射通信的系統模型。

(1)

在反向散射通信上行鏈路中,采用遠近頭對頭匹配的方式完成NOMA配對。假設小區內有M個設備且M為偶數,基站將BD按照接收功率大小進行降序排列,表示為{BD1,BD2,…,BDM}。將M個設備根據接收功率中值平均分為近端用戶組BDNU和遠端用戶組BDFU,可得:

(2)

2 混合IM-NOMA方案

2.1 OFDM-IM

(3)

比特經由每個BD發送。當ku=Nu時,系統由OFDM-IM退變為傳統OFDM調制,當ku=1時,系統則稱為單載波IM。對于每個BD的OFDM-IM信號是由Iu(ξ)和qu(ξ)共同創建。

對于一個遠近配對的NOMA對,距離射頻源節點近的設備可以獲取到足夠的能量,因此可以實現OFDM的調制方式,即ku=Nu?，F有的研究中,實現的OFDM反向散射系統并不能靈活地進行載波能量分配[16],認為設備反射的OFDM個子載波之間為等功率。近端設備調制子載波并形成頻域信號Xu(k)。隨后,Xu(k)通過IFFT為時域信號,如下所述:

(4)

考慮到無線能量傳輸隨距離衰減,BDFU獲取的能量衰減嚴重,而傳統OFDM-IM的創建需要相對耗能的數字運算,導致BDFU無法成功激活OFDM反向散射。在本文中,研究了單載波激活的OFDM頻率索引方案,即ku=1。因為它具有較低的峰均功率比,并且與傳統OFDM-IM相比,不需要在設備上進行IFFT。設備由一個單邊帶模塊以及相應的時鐘和處理核心組成,極大地降低了多載波調制所需的功率門限。

遠端設備通過控制時鐘頻率選擇索引Iu(ξ)產生頻率為fIM的方波信號,fIM是BD的OFDM子載波資源塊的子集。當BD切換其射頻開關以反向散射載波信號時,其實質上使用方波來調制樣本的相位。用θn表示產生方波W的相位信息,方波W可以表示為:

(5)

調制后的方波信號與連續正弦波相乘,產生反向散射符號。對于一個IM資源塊,反向散射樣本可以通過將環境載波Sn與方波的一次諧波相乘計算:

(6)

值得注意的是,激勵子載波通過BD的調制和移位,會產生對稱的2個邊帶。如HitchHike[17]所述,通過使信號在無用邊帶的負拷貝,可以很容易地消除無用邊帶。

由于OFDM-IM向每個用戶分配一組副載波,因此系統中可以服務的用戶數量有限。在這種情況下,將NOMA與OFDM-IM結合使用是實現大規模連接的一個非?？尚械倪x擇?；旌螴M-NOMA反向散射技術利用OFDM-IM的能量效率,結合NOMA來完善大規模遠距離反向散射的部署,在圖2中, 2個用戶在相同頻率資源上以不同調制方式發送它們的數據,BDNU使用OFDM調制,而BDFU子載波上的符號映射使用OFDM-IM碼本。

圖2 混合IM-NOMA反向散射頻域模型Fig.2 Frequency domain model for hybrid IM-NOMABackCom

2.2 反射系數調節

現有的NOMA反向散射系統中反射系數是固定的,不適合多載波混合調制的場景。根據式(1)可得,在反射系數固定的情況下,固定位置的能量收集也是固定的。由于執行OFDM-IM的BD能耗和OFDM調制的巨大差異,固定的反射系數使得部分邊緣節點收集的能量遠高于激活閾值,而BD并不具有足夠的儲能能力,使得BD的能量效率下降。通過靈活地調節反射系數,使得BD的能量收集剛好可以滿足通信需求,將有更多的能量將用于反射通信。同時,反射系數的調節也可以保證BDFU信號對BDNU信號的干擾可控。

近端設備的反射系數表示為εNU,遠端設備信號的反射系數表示為εFU。所有BD都有有限個阻抗對,并且通過調節阻抗來設置不同的反射系數。解碼SINR的閾值被設置為γ。只有當反射信號的SINR大于時γ,信號才能被成功解碼。然而,如果強信號不能被成功解碼,則弱信號也不會被解碼。考慮單個子載波上頻域疊加信號的SINR,做出以下限制:

(7)

根據式(7),同時考慮BD激活功率限制,εNU和εFU范圍可表示為:

(8)

2.3 信號檢測

在本小節中,為NOMA遠近配對的BD呈現接收器結構。2個用戶的接收可以被寫為:

(9)

(10)

基于完美的SIC性能,消除了BDNU信號對BDFU信號的干擾,采用基于ML的檢測規則對BDFU信號進行解碼,可以聯合估計M進制符號和索引攜帶的數據比特。通過檢查發送向量xFU的所有可能性來恢復BDFU的低功率信號:

(11)

3 系統容量分析

因為BDNU直接解調數據,應當考慮遠端用戶和AWGN二者的干擾。BDNU可實現速率的數學表達式如下:

(12)

另一方面,由于OFDM-IM信號執行基于子塊的IM,因此BDFU的速率無法通過直接計算得到?？紤]到互信息量,BDFU的可實現速率為[18]:

(13)

式中:I(xFU;yFU|hFU)表示BDFU的信道輸入的互信息量,H(xFU|yFU,hFU)是xFU和信道輸出yFU的條件熵。注意,式(13)正好是OFDM-IM的頻譜效率,以b/s/Hz為單位測量?？紤]反向散射的強LoS信道,Eh[H(xFU|yFU,hFU)]僅與射頻源和BD之間的距離d呈負相關,式(13)可以簡化為:

(14)

4 仿真實驗與分析

利用蒙特卡洛方法驗證了所提的系統的性能,并將其與參考場景進行了比較。假設閱讀器均勻地分布在50 m×50 m的范圍內,通過均勻分布的標簽解碼數量來反映連通性能。表1給出了實驗仿真中使用的一些基本參數設置。

表1 實驗仿真參數

傳統OFDM-NOMA方案由于較高的激活功率門限,容易造成通信中斷或反射信號解碼失敗。然而,提出的方案降低了遠端設備激活功率門限,可以保證BD和閱讀器之間的通信。從圖3可以看出,隨著SINR的增加,譯碼個數和吞吐量逐漸降低。其原因是BD未達到激活門限,或者是反射的信號不滿足閾值要求,閱讀器無法解碼。然而,當閾值的值增加時,弱信號不再被解碼。那么,平均解碼數目將降低。一旦閾值極大,平均解碼數和吞吐量將變為零,即通信中斷?？梢钥闯霾捎没旌螴M-NOMA的模型在遠距離通信解碼數量上的優越性。

圖3 不同SINR下解碼數量比較Fig.3Comparison of decoding number under different SINRs

圖4對比了在固定解碼閾值情況下,傳統方案和所提方案的成功解碼個數和系統吞吐量。傳統方案由于使用了相對耗能的OFDM傳輸方式,使得遠端用戶無法獲取到激活所需能量,容易造成通信中斷或反射信號解碼失敗,導致吞吐量和解碼性能較差。然而,提出的方案通過引入OFDM-IM解決了多載波覆蓋范圍降低的問題。同時,通過對每個NOMA對調節反射系數,保證BD和閱讀器之間的通信。在γ=8 dB的情況下,隨著發射功率的增加,吞吐量和譯碼個數逐漸增加。這是因為隨著發射功率的增強,越來越多的BD可以獲取足夠的功率,使其可以反射信息并滿足閾值要求。

圖4 不同發射功率下譯碼個數和吞吐量比較Fig.4 Comparison of decoding number and throughput under different transmission power

使用型號為賽靈思ZYQN-7000的FPGA進行邏輯模擬,其中調制頻率與功耗呈線性關系,計算方法與文獻[20]相同。在不使用內存的情況下,在單載波激活的OFDM-IM中,平均功耗為36.18 μW,相比于4個載波激活的OFDM調制功耗為118.42 μW,這得益于部分載波激活使用了更少的邏輯單元和時鐘模塊。相比于OFDM-NOMA系統,混合IM-NOMA反向散射系統在譯碼個數方面有著明顯的優勢,降低了通信中斷概率。

在圖5中,使用ML接收機的混合IM-NOMA的BER與AWGN信道下針對遠近匹配的2個用戶的情形的OFDM-NOMA進行比較。BDNU→閱讀器和BDFU→閱讀器的歸一化距離分別為dNU=0.5和dFU=1.0,索引映射采用激活單載波的ODMA-IM,調制類型是BPSK。

圖5 反向散射系統誤碼率分析Fig.5 BER analysis of backscatter systems

可以看出,BDNU在混合IM-NOMA中的BER性能優于BDFU,這是因為近端錯誤沒有被執行完美SIC而在遠端疊加。相較于OFDM-NOMA反向散射通信,基于混合IM-NOMA的上行通信方式,在遠端設備可以帶來更好的BER效果,增加了通信的可靠性。

5 結束語

本文提出了一種新穎的OFDM和OFDM-IM混合NOMA的方案,用于解決反向散射通信中低頻譜利用率和能量約束限制。分析了所提方案的性能,并與傳統NOMA方案進行了比較,驗證了所獲得的解碼數量和BER增益。該模型可以為未來具有遠距離和通信速率需求的反向散射設計和部署提供一個理論上的參考?；旌螴M-NOMA提供了更好的BER以及其靈活性優點,未來的擴展可能包括研究更有效的方法來減少用戶之間的干擾,并將放寬在同一時頻資源只服務2個用戶的假設,可以同時服務多個用戶。