多用戶協(xié)作NOMA系統(tǒng)中的最優(yōu)中繼選擇策略

周 圍,黎婧怡,廖先平,賀 凡

1(重慶郵電大學(xué) 通信與信息工程學(xué)院,重慶 400065)

2(重慶郵電大學(xué) 移動(dòng)通信技術(shù)重慶市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400065)

0 引 言

隨著無線通信技術(shù)的快速發(fā)展,人們渴望更快的互聯(lián)網(wǎng)接入速度與更大的移動(dòng)端接入量,具備可靠與高效的無線通信系統(tǒng)是當(dāng)下和未來的重要發(fā)展目標(biāo).作為5G無線通信系統(tǒng)中最具潛力的多址接入技術(shù)之一,非正交多址接入技術(shù)憑借其能夠?qū)崿F(xiàn)更高頻譜效率而備受關(guān)注[1-4].具體來說,非正交多址接入技術(shù)(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術(shù)以犧牲接收端的復(fù)雜度為代價(jià),允許多個(gè)用戶共享相同的頻譜資源,以此來打破用戶資源塊之間相互正交的限制,從而獲得更大的用戶接入量與更高的傳輸速率.

在NOMA系統(tǒng)中,由于采用功率復(fù)用技術(shù)主動(dòng)引入干擾信息會(huì)影響用戶接收信號(hào)的質(zhì)量,因此,在各用戶接收端采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技術(shù)可以逐步消除疊加信號(hào)中其他用戶信號(hào)的干擾.除此之外,將協(xié)作通信技術(shù)應(yīng)用到NOMA系統(tǒng)也可以顯著提高信號(hào)的傳輸可靠性,并且相關(guān)研究成果表明NOMA技術(shù)與協(xié)作通信技術(shù)的結(jié)合可以為更多用戶提供服務(wù),顯著地提高了小區(qū)基站的覆蓋率,與此同時(shí),還能大幅度改善小區(qū)邊緣用戶的信號(hào)質(zhì)量[5-8].協(xié)作通信在NOMA中的應(yīng)用主要分為兩大類,即中繼協(xié)作NOMA以及用戶協(xié)作NOMA,而在多中繼系統(tǒng)下的中繼選擇策略正在被業(yè)界廣泛研究.Lee等[9]提出了一種在中繼處采取放大轉(zhuǎn)發(fā)(Amplify and Forward,AF)技術(shù)參與協(xié)作傳輸?shù)牟糠种欣^選擇(Partial Relay Selection,PRS)方案,推導(dǎo)出了用戶中斷概率的精確閉合表達(dá)式.Liran等[10]則是在此基礎(chǔ)上將中繼的轉(zhuǎn)發(fā)技術(shù)改為解碼轉(zhuǎn)發(fā)(Decode and Forward,DF)技術(shù)向終端用戶發(fā)送信號(hào),并采用PRS方案選擇最佳中繼.Song等[11]以提高系統(tǒng)的中斷性能為目標(biāo),設(shè)計(jì)了一種分布式被動(dòng)中繼選擇策略,并仿真分析出中繼節(jié)點(diǎn)位置與數(shù)量的變化對(duì)系統(tǒng)中斷概率的影響情況.Li等[12]在一種非理想硬件特性的單竊聽多中繼協(xié)作NOMA系統(tǒng)下,提出了聯(lián)合考慮合法信道和竊聽信道使目標(biāo)信噪比最大化的中繼傳輸策略,最終仿真表明所提策略能夠有效提高用戶的安全中斷性能.更有研究結(jié)果表明,引入用戶中繼參與協(xié)作傳輸可以有效地降低成本與功耗.Do等[13]利用近端用戶充當(dāng)中繼輔助基站轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),并分析了一種基于最佳遠(yuǎn)近(Best-Near Best-Far,BNBF)用戶選擇方案下用戶的中斷概率.Ju等[14]考慮了存在多個(gè)時(shí)隙的系統(tǒng)傳輸策略,利用Max-Min原則選擇最優(yōu)與次最優(yōu)的中繼轉(zhuǎn)發(fā)疊加信號(hào)到用戶,特別地是,與傳統(tǒng)方案用戶只能在偶數(shù)時(shí)隙接收到信號(hào)的方案不同,該文策略能在除第一時(shí)隙外的所有時(shí)隙內(nèi)接收到信號(hào).Li等[15]在協(xié)作網(wǎng)絡(luò)中研究了3種最佳中繼選擇方案.Lu等[16]采用多中繼傳輸,提出了一種基于單源最優(yōu)路徑的中繼選擇策略,選取多個(gè)中繼參與協(xié)作傳輸.除此以外,Mohammed等[17]還將協(xié)作NOMA技術(shù)與認(rèn)知網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合,并聯(lián)合考慮了中繼選擇與功率分配兩個(gè)問題,不僅在滿足QoS的基礎(chǔ)上,提高了系統(tǒng)性能,而且也實(shí)現(xiàn)了較低的計(jì)算復(fù)雜度.

上述文獻(xiàn)及現(xiàn)有關(guān)于中繼選擇的研究中常單獨(dú)考慮AF或DF協(xié)議,但這兩種轉(zhuǎn)發(fā)方式也有一定的弊端:AF在放大有用信號(hào)的同時(shí)也放大了噪聲,DF則易出現(xiàn)中繼無法成功解碼信號(hào)而導(dǎo)致錯(cuò)誤傳輸?shù)那闆r.針對(duì)以上問題,本文在下行多用戶中繼協(xié)作NOMA系統(tǒng)下,提出了一種基于混合譯碼/放大轉(zhuǎn)發(fā)(Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,HDAF)協(xié)議的用戶中繼選擇策略.除此之外,為進(jìn)一步提升系統(tǒng)的通信性能,引入自動(dòng)請(qǐng)求重傳技術(shù)(Auto Repeat reQuest,ARQ),充分考慮基站到遠(yuǎn)端用戶的信道條件,將HDAF優(yōu)化成為一種研究增強(qiáng)中繼的混合譯碼/放大轉(zhuǎn)發(fā)(Incremental Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,IHDAF)協(xié)議,并對(duì)各策略下的系統(tǒng)中斷性能進(jìn)行了仿真驗(yàn)證.

1 系統(tǒng)模型

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

(1)

(2)

(3)

(4)

其中,ρs為平均傳輸信噪比,定義為ρs=Ps/σ2;同理,Uf處的接收信噪比為:

(5)

(6)

(7)

(8)

在Uf端采用SIC技術(shù)解碼信號(hào),其接收信噪比為:

(9)

(10)

式中,定義ρn=Pn/σ2為平均傳輸信噪比.

2 中繼選擇策略與性能分析

2.1 HDAF中繼選擇策略

HDAF協(xié)議的具體思想是,當(dāng)用戶中繼能夠成功解碼出基站發(fā)送的疊加信號(hào)時(shí),采用DF方式協(xié)作轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào),否則采用AF方式轉(zhuǎn)發(fā).基于該協(xié)議的中繼選擇策略如下:首先將所有中繼節(jié)點(diǎn)中能正確解碼信號(hào)的中繼用戶放入DF候選中繼集合中,如式(11)構(gòu)建出SDF中繼子集:

(11)

其中,γ1和γ2為兩個(gè)用戶的SNR判決門限,分別定義為γ1=22R1-1、γ2=22R2-1,R1和R2為Uf和Un的目標(biāo)速率閾值.接下來,再將未能滿足式(11)的中繼用戶放入名為SAF的中繼子集中.

第2階段,分別在SDF和SAF候選子集中根據(jù)接收信噪比最大選出各自的最佳中繼,最后,根據(jù)式(12)選出最優(yōu)用戶中繼:

(12)

因此,上述HDAF中繼選擇策略的步驟流程如圖2所示.

圖2 HDAF策略流程圖Fig.2 Flowchart in HDAF strategy

當(dāng)Uf處可獲得的信噪比小于所能解碼的最小要求信噪比γ1時(shí),系統(tǒng)發(fā)生中斷.因此,本文將中斷事件定義為兩種情況:情況1為中繼采用DF方式轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)時(shí),Uf無法成功解碼信號(hào)xf;情況2則是中繼采用AF方式協(xié)作時(shí),Uf解碼自身信號(hào)失敗.考慮Uf采用SC方式合并來自基站和最佳中繼的信號(hào),其發(fā)生中斷的概率可以表示為:

(13)

由式(11)可知,假設(shè)在M個(gè)用戶中繼中有K個(gè)Un可以正確解碼信號(hào),則SDF中有K個(gè)中繼的概率可以表示為:

(14)

(15)

(16)

(17)

對(duì)于式(13),可以進(jìn)一步理解成為兩部分:1)有可以成功解碼的候選中繼時(shí),從SDF的K個(gè)中繼和SAF的M-K個(gè)中繼中根據(jù)式(12)的中繼選擇原則選出最佳中繼參與協(xié)作,此時(shí)系統(tǒng)發(fā)生中斷的概率;2)沒有中繼可以成功解碼,即SDF=φ時(shí)的中斷概率.所以,第1部分的中斷概率可以表示為:

(18)

(19)

(20)

(21)

根據(jù)公式(14)、(15)、(19)、(21),所提出的HDAF中繼選擇策略中斷概率的最終表達(dá)式如式(22)所示:

(22)

2.2 IHDAF中繼選擇策略

為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的中斷性能,本節(jié)在HDAF協(xié)議的基礎(chǔ)上,引入增量中繼的概念,提出一種基于IHDAF協(xié)議的中繼選擇策略.對(duì)于增量中繼,假設(shè)用戶節(jié)點(diǎn)到基站和中繼鏈路之間存在一個(gè)反饋信道,即如果通過直接鏈路傳輸時(shí),目的節(jié)點(diǎn)能夠正確接收來自基站的發(fā)送信號(hào),則向中繼發(fā)送一個(gè)反饋信號(hào),“通知”中繼不用參與協(xié)作傳輸.由于中繼依賴于基站到目的節(jié)點(diǎn)之間的直接鏈路,其不用始終進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā),協(xié)作階段變得隨機(jī),因此,該策略能夠更好的提高系統(tǒng)頻譜效率.

除此之外,本策略還引入ARQ機(jī)制,存在基站重傳疊加信號(hào)的部分,則基于IHDAF協(xié)議的中繼選擇過程如下:

首先,基站發(fā)送疊加信號(hào)到Uf節(jié)點(diǎn),若在第一階段用戶能夠成功接收信號(hào),則說明BS→Uf鏈路之間的信號(hào)傳輸沒有發(fā)生中斷,于是,用戶發(fā)送代表 “Success”含義的ACK1幀的反饋信號(hào),基站接收到ACK1幀后開始為下一時(shí)隙發(fā)送新信號(hào)做準(zhǔn)備,而用戶中繼Un始終保持沉默,參考式(5),此時(shí)用戶的接收信噪比為:

(23)

當(dāng)用戶沒有正確接收到信號(hào)時(shí),就立即發(fā)送含義為“Half-Success”的ACK2幀,通知基站進(jìn)行信號(hào)的重傳;若基站在一定時(shí)間內(nèi)沒有接收到來自用戶的反饋信號(hào),則認(rèn)為直傳失敗,此時(shí)啟動(dòng)ARQ機(jī)制,基站重傳信號(hào)到用戶Uf,中繼保持沉默,此時(shí)用戶的SNR表示為:

(24)

由系統(tǒng)模型可知,該策略下的中斷過程為:當(dāng)基站在第2階段重傳失敗,采用協(xié)作傳輸時(shí),才會(huì)有可能發(fā)生中斷,即當(dāng)用戶中繼根據(jù)中繼選擇原則采用DF或AF轉(zhuǎn)發(fā)方式參與協(xié)作,并且Uf處的SNR小于所設(shè)定閾值γ1時(shí),其解碼自身信號(hào)失敗發(fā)生中斷.則基于IHDAF協(xié)議下Uf的中斷概率表示為:

2.3 Un中斷概率分析

在引入?yún)f(xié)作傳輸時(shí),根據(jù)SIC技術(shù)原理,Un先對(duì)xf進(jìn)行解碼,從接收信號(hào)中刪除xf后,再對(duì)xn進(jìn)行解碼,獲得自身所需信號(hào).因此,Un的中斷情況由以下兩個(gè)部分組成:1)Un解碼xf失敗;2)Un解碼xf成功,但解碼xn失敗.因此,Un的中斷概率可以計(jì)算成:

(26)

3 仿真分析

本章將通過MATLAB分別對(duì)采用HDAF和IHDAF中繼選擇策略的多用戶協(xié)作NOMA系統(tǒng)進(jìn)行性能分析,并將本文所提策略與其他文獻(xiàn)策略進(jìn)行對(duì)比研究.因此對(duì)于多用戶協(xié)作NOMA網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù),在沒有特別說明的情況下設(shè)置為:目標(biāo)速率閾值R1=R2=1 bit/s,功率分配系數(shù)α1=0.8,α2=0.2,發(fā)射功率Ps=Pn,中繼節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)M=4.另外,本章還利用蒙特卡羅仿真100萬次的結(jié)果對(duì)各中繼選擇策略進(jìn)行了性能分析,每一次仿真都相應(yīng)產(chǎn)生各節(jié)點(diǎn)之間的信道衰落系數(shù),并計(jì)算出各節(jié)點(diǎn)解碼信號(hào)的信噪比,按照HDAF策略與IHDAF策略的流程步驟尋找出最優(yōu)中繼參與計(jì)算中斷概率.除此以外,仿真實(shí)驗(yàn)還將100萬次的蒙特卡羅仿真結(jié)果與本文推導(dǎo)的表達(dá)式做對(duì)比,以此檢驗(yàn)表達(dá)式的推導(dǎo)是否正確.

圖3展示了在不同用戶中繼數(shù)量的情況下,采用本文所提兩種中繼選擇策略的遠(yuǎn)端用戶中斷概率隨發(fā)射信噪比增長(zhǎng)的變化情況.其中,基站到中繼的距離dsn=0.3,中繼到遠(yuǎn)端用戶的距離dnf=1-dsn,路徑損耗指數(shù)ξ=3,用戶中繼數(shù)量分別設(shè)置為2、4、8個(gè).如圖3所示,不管系統(tǒng)采用HDAF還是IHDAF中繼選擇策略,中斷概率的蒙特卡羅仿真結(jié)果都與解析結(jié)果曲線重合,即驗(yàn)證了表達(dá)式推導(dǎo)的正確性;另外,當(dāng)發(fā)射信噪比逐漸增大時(shí),用戶的中斷性能會(huì)逐漸增強(qiáng);中繼數(shù)量的增多,也能導(dǎo)致用戶中斷概率曲線斜率的變大,使得中斷概率下降得更加明顯,造成這種變化的主要原因是由于隨著中繼數(shù)量的增加,可選擇的信道范圍得以增加,因而能獲得更好的系統(tǒng)性能.由此可知,在協(xié)作通信場(chǎng)景中,較高的中繼數(shù)量可以顯著降低系統(tǒng)中斷概率,提升系統(tǒng)傳輸?shù)目煽啃?除此之外,提高發(fā)射功率同樣也可以有效地提高系統(tǒng)中斷性能.

圖3 不同中繼數(shù)量下Uf的中斷概率隨SNR的變化情況Fig.3 Outage probability of Uf versus SNR under different number of relays

圖4展示了在不同的信道條件下,Un中斷概率隨發(fā)射信噪比的變化情況.由于本文不考慮Un網(wǎng)絡(luò)間的內(nèi)部轉(zhuǎn)發(fā),因此其中斷概率與所選中繼轉(zhuǎn)發(fā)方式無關(guān),僅與BS→Un鏈路間的信道條件相關(guān).由圖4顯示,對(duì)于近端用戶,當(dāng)Ωsn=6時(shí),系統(tǒng)中斷性能最好,Ωsn=3時(shí)次之,當(dāng)Ωsn=1時(shí),系統(tǒng)中斷性能最差.由此可知,隨著基站到Un鏈路條件的變好,其中斷概率顯著下降,例如當(dāng)中斷概率為10-2時(shí),在Ωsn=6的情況下對(duì)發(fā)射機(jī)信噪比的要求相比Ωsn=3情況下對(duì)發(fā)射機(jī)信噪比的要求約低3dB.

圖4 Un中斷概率隨SNR的變化曲線Fig.4 Outage probability of Un versus SNR

圖5為當(dāng)基站到Uf鏈路的信道條件與Un到Uf信道條件相等時(shí),本文所提HDAF、IHDAF中繼選擇策略與傳統(tǒng)部分中繼選擇(PRS)[9-10]、最大最小(Max-Min)[14]選擇策略的對(duì)比曲線.此時(shí),協(xié)作NOMA系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)為:Ωsf=Ωsn=Ωnf=1.可以看出,本文的兩種策略在中斷性能上都要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)策略,并且,由于增加了BS→Uf鏈路信道條件的判斷,使得IHDAF協(xié)議下的中繼選擇策略比HDAF策略具有更低的中斷概率,如在中斷概率為10-4時(shí),IHDAF選擇策略相對(duì)于HDAF獲得了2dB的增益.另外,當(dāng)中繼選取不同的轉(zhuǎn)發(fā)方式參與協(xié)作時(shí),也會(huì)獲得不同的效果,PRS-AF策略在各信道鏈路條件相同的情況下能獲得比PRS-DF策略更低的中斷概率,使系統(tǒng)中斷性能得到了一定的改善,這是因?yàn)楫?dāng)采用AF協(xié)議進(jìn)行工作時(shí),即使中繼會(huì)同時(shí)放大有用信號(hào)和噪聲信號(hào),但遠(yuǎn)端用戶在接收到中繼用戶轉(zhuǎn)發(fā)的信號(hào)之后,立即采用SIC技術(shù)對(duì)大部分的加性高斯白噪聲進(jìn)行消除,以此來獲得自身所需信號(hào),所以,PRS-AF策略相較于PRS-DF策略可以獲得更優(yōu)的系統(tǒng)性能.

圖5 不同策略下Uf中斷概率隨SNR的變化曲線(Ωsf=1)Fig.5 Outage probability of Uf versus SNR under different strategy(Ωsf=1)

圖6展示了在BS→Uf鏈路的信道條件優(yōu)于Un→Uf鏈路信道條件的情況下,本文中繼選擇策略與傳統(tǒng)中繼選擇策略的比較.此時(shí),對(duì)于協(xié)作NOMA模型的參數(shù)設(shè)置如下:Ωsf=10、Ωsn=5、Ωnf=1,Un→Uf的信道條件明顯差于BS→Uf鏈路.由圖5可知,當(dāng)BS→Uf信道條件變好時(shí),IHDAF、HDAF、Max-Min中繼選擇策略下的中斷性能都有所提高,這是因?yàn)榇藭r(shí),Uf接收信號(hào)主要由基站到遠(yuǎn)端用戶鏈路上傳輸?shù)男盘?hào)起作用.除此以外,相較于圖5,PRS-AF策略與PRS-DF策略的曲線逐漸重合,由此可見,BS→Un鏈路信道條件的好壞對(duì)于在PRS-AF策略下用戶中斷概率影響較小,而對(duì)PRS-DF策略影響較大.另外還可以看出,無論在何種條件下,本文策略都要明顯優(yōu)于傳統(tǒng)策略,特別是IHDAF中繼選擇策略始終能夠?qū)崿F(xiàn)更佳的系統(tǒng)中斷性能.

圖6 不同策略下Uf中斷概率隨SNR的變化曲線( Ωsf=10)Fig.6 Outage probability of Ufversus SNR under different strategy(Ωsf=10)

圖7展示了在HDAF和IHDAF中繼選擇策略下遠(yuǎn)端用戶的中斷概率隨傳輸速率閾值的變化情況,此時(shí)固定發(fā)射信噪比為15dB.從本文推導(dǎo)表達(dá)式的解析值可以看出,在發(fā)射信噪比一定的情況下,隨著傳輸速率閾值的增加,中斷概率會(huì)明顯升高,且在HDAF策略下中斷概率上升的幅度也會(huì)略大于IHDAF策略.另外也不難看出,無論目標(biāo)傳輸速率為何值,IHDAF策略都能比HDAF策略得到更好的系統(tǒng)性能.

圖7 Uf中斷概率隨傳輸速率閾值的變化曲線Fig.7 Outage probability of Uf versus transmission rate threshold

4 總 結(jié)

本文在以近端用戶充當(dāng)中繼的多用戶協(xié)作NOMA系統(tǒng)下,提出了基于HDAF和IHDAF協(xié)議的中繼選擇策略,分別推導(dǎo)和分析了兩種策略下的系統(tǒng)中斷性能.仿真結(jié)果表明:1)不論在何種信道條件下,相比于傳統(tǒng)的中繼選擇方法,本文所提策略都能大幅度降低系統(tǒng)中斷概率,特別是IHDAF中繼選擇策略始終可以實(shí)現(xiàn)最佳的中斷性能,但隨之計(jì)算復(fù)雜度也會(huì)升高;2)通過提高發(fā)射機(jī)發(fā)射功率和增加中繼數(shù)量都可以有效地提升系統(tǒng)中斷性能;3)系統(tǒng)中斷性能會(huì)隨著預(yù)先設(shè)定的傳輸速率閾值的升高而變差.