龔杰 陳翔

摘要：提出了一種部分自供電的非正交多址接入（NOMA）技術(shù)框架，將NOMA和無(wú)線(xiàn)能量傳輸（WPT）技術(shù)有機(jī)結(jié)合起來(lái)，并利用頻譜復(fù)用和近場(chǎng)傳輸，實(shí)現(xiàn)高效的WPT和多用戶(hù)接入。這一框架可以應(yīng)用在上行反饋、中繼傳輸、信息解碼等多種數(shù)據(jù)傳輸場(chǎng)景。討論了部分自供電NOMA技術(shù)的科學(xué)問(wèn)題，并對(duì)信息解碼能量受限的兩用戶(hù)系統(tǒng)可達(dá)速率進(jìn)行了初步分析。

關(guān)鍵詞：NOMA；WPT；連續(xù)干擾消除

隨著科技的發(fā)展，信息技術(shù)已滲透到社會(huì)的各個(gè)方面，并逐漸改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）利用多種通信技術(shù)使機(jī)器互聯(lián)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化的信息獲取與網(wǎng)絡(luò)監(jiān)查控制，使人們從重復(fù)的工作中解放出來(lái)。然而，為了獲得足夠的系統(tǒng)狀態(tài)信息，實(shí)現(xiàn)智能化精細(xì)控制，需要部署大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)。這將帶來(lái)2個(gè)重要問(wèn)題：（1）由于電網(wǎng)布線(xiàn)困難，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)一般采用電池供電，因此能量受限；（2）無(wú)線(xiàn)頻譜資源緊缺，難以支持海量無(wú)線(xiàn)節(jié)點(diǎn)同時(shí)接入。近年來(lái)受到關(guān)注的無(wú)線(xiàn)能量傳輸（WPT）技術(shù)，是解決物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)能量受限問(wèn)題的有效方法；而非正交多址接入（NOMA）技術(shù)通過(guò)在同一資源塊上同時(shí)承載多個(gè)用戶(hù)，能有效緩解頻譜資源緊缺的問(wèn)題。因此，這2種技術(shù)的有機(jī)結(jié)合，是實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可持續(xù)運(yùn)行以及海量設(shè)備同時(shí)接入的重要手段。

文中我們基于現(xiàn)實(shí)，提出一種部分自供電的NOMA技術(shù)框架，使得近距離用戶(hù)在保證信息傳輸?shù)耐瑫r(shí)，可以高效地獲取無(wú)線(xiàn)能量，并用于更多的信息處理與傳輸任務(wù)。這一框架可以應(yīng)用于信息解碼、中繼傳輸、上行反饋等多種場(chǎng)景，具有廣泛的應(yīng)用前景。

1 部分自供電的NOMA技術(shù)的概念與現(xiàn)狀

WPT技術(shù)是指在接收無(wú)線(xiàn)信號(hào)的同時(shí)，通過(guò)采集無(wú)線(xiàn)射頻中的能量以獲得電力[1]。通常有2種接收電路設(shè)計(jì)（如圖1所示）：功率分割[2]和時(shí)間分割[3]。所謂功率分割，是將接收到的無(wú)線(xiàn)信號(hào)分成2路，一路用來(lái)進(jìn)行信息的解調(diào)，一路用來(lái)采集電量。而時(shí)間分割則是通過(guò)時(shí)分的方式，部分時(shí)間接收信息，部分時(shí)間采集能量。WPT具有2個(gè)特點(diǎn)：一是能量源是可控的，可以通過(guò)調(diào)節(jié)發(fā)射功率，控制所能采集的能量；另一個(gè)特點(diǎn)是相對(duì)于信息接收，能量采集不區(qū)別有用信號(hào)和干擾信號(hào)，因此在強(qiáng)干擾環(huán)境下往往能采集更多的能量[4-5]。然而其缺限也很明顯，由于無(wú)線(xiàn)信號(hào)的發(fā)散特性以及信道的衰落特性，接收端能采集到的無(wú)線(xiàn)能量往往很少，WPT效率很低，尤其是當(dāng)傳輸距離較遠(yuǎn)時(shí)，甚至無(wú)法獲得足夠的能量。以1 W的發(fā)射功率為例，路徑損耗模型采用PL dB = 30.8 + 24.2 log10（d），可以計(jì)算得到：當(dāng)d = 1 m時(shí)，接收信號(hào)強(qiáng)度就只有0.83 mW，加上能量采集中的電路消耗，能量傳輸效率非常低。

NOMA技術(shù)的基本原理如圖2所示，在同一頻帶中同時(shí)發(fā)送2個(gè)用戶(hù)的信息：一個(gè)近端用戶(hù)，一個(gè)遠(yuǎn)端用戶(hù)。利用信號(hào)功率的不同，近端用戶(hù)采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術(shù)先解出強(qiáng)干擾信號(hào)，從接收信號(hào)中減去干擾信號(hào)之后再解出自身信息，從而實(shí)現(xiàn)非正交的頻譜復(fù)用。NOMA技術(shù)首先由Saito等人提出[6]，并進(jìn)行了深入的系統(tǒng)級(jí)仿真[7]，驗(yàn)證了這一技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)容量和小區(qū)邊緣用戶(hù)吞吐量方面，相較于傳統(tǒng)的正交多址接入有相當(dāng)明顯的性能提升。由此，NOMA技術(shù)受到了人們的廣泛關(guān)注。文獻(xiàn)[8]在上行非正交多址中提出了一種新的子載波和功率聯(lián)合分配方案，以最大化用戶(hù)的和速率；文獻(xiàn)[9]從用戶(hù)公平性角度重新設(shè)計(jì)了功率分配算法；文獻(xiàn)[10]分析了用戶(hù)配對(duì)方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響。在NOMA技術(shù)中，由于近端用戶(hù)解出了遠(yuǎn)端用戶(hù)的信號(hào)，還可以作為中繼節(jié)點(diǎn)，協(xié)助遠(yuǎn)端用戶(hù)的信號(hào)接收[11]。

2 部分自供電的NOMA 接入技術(shù)的框架

通過(guò)前面的討論我們知道：WPT技術(shù)在實(shí)際應(yīng)用中受到距離的嚴(yán)格限制；而NOMA技術(shù)則給WPT提供了天然的應(yīng)用場(chǎng)景，當(dāng)近端用戶(hù)離發(fā)射端很近時(shí)，可以在接收信息的同時(shí)采集能量。而且，由于在同一頻段疊加了多用戶(hù)信息和能量，而能量采集不區(qū)分有用信號(hào)和干擾，近端用戶(hù)可以采集足夠的無(wú)線(xiàn)能量?；诖?，我們提出部分自供電的NOMA技術(shù)框架，如圖3所示。這一框架包括3個(gè)基本模塊：

（1）發(fā)射端。在同一頻段上用不同的功率疊加多個(gè)用戶(hù)的信息，同時(shí)發(fā)送給多個(gè)用戶(hù)。這一模塊與傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)相同。

（2）近端用戶(hù)。自供電用戶(hù)，利用近距離接收信號(hào)功率大，分割一部分接收能量進(jìn)行無(wú)線(xiàn)能量采集，采集到的能量可用于多種用途，另一部分通過(guò)連續(xù)干擾消除進(jìn)行信息解碼。根據(jù)信息解碼和能量采集的需求，通過(guò)調(diào)節(jié)2部分的功率比例，以實(shí)現(xiàn)不同的功能。

（3）遠(yuǎn)端用戶(hù)。普通用戶(hù)，由電池或其他方式供電，與傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)相同，從無(wú)線(xiàn)接收信號(hào)中解碼得到有用信息。

從上述框架中可以看到：相比于傳統(tǒng)的NOMA技術(shù)，近端用戶(hù)具有了無(wú)線(xiàn)能量采集功能，使得整個(gè)系統(tǒng)可以采取部分自供電（近端用戶(hù)）的方式，為系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了便利，也可以應(yīng)用到更多、更廣的領(lǐng)域。根據(jù)無(wú)線(xiàn)能量的用途，部分自供電的NOMA技術(shù)有以下可能的應(yīng)用場(chǎng)景：

（1）上行反饋。近端用戶(hù)利用采集到的無(wú)線(xiàn)能量進(jìn)行短距信息上傳，典型的應(yīng)用場(chǎng)景為射頻識(shí)別（RFID）。我們?cè)诜钦欢嘀返目蚣芟?，可以進(jìn)行有效的頻譜復(fù)用，并支持多用戶(hù)下行傳輸和上行信息反饋。

（2）信息解碼。在實(shí)際中，數(shù)據(jù)的解碼也需要消耗能量[12]，當(dāng)解碼的過(guò)程較復(fù)雜時(shí)（如連續(xù)干擾消除），解碼能耗會(huì)很大。實(shí)現(xiàn)近端用戶(hù)的自供電，首先需要用采集的無(wú)線(xiàn)能量滿(mǎn)足解碼的需求。

（3）中繼傳輸。近端用戶(hù)一方面采集了無(wú)線(xiàn)能量，另一方面在連續(xù)干擾消除過(guò)程中對(duì)遠(yuǎn)端用戶(hù)的數(shù)據(jù)進(jìn)行了解碼。因此，可利用采集的能量發(fā)送這部分?jǐn)?shù)據(jù)，通過(guò)中繼的方式提高遠(yuǎn)端用戶(hù)的信噪比。基于WPT的協(xié)作中繼已有些初步研究工作[13-14]，在直射鏈路有遮擋的情況下作用十分明顯[15]。

3 部分自供電的NOMA技術(shù)的問(wèn)題及研究方向

部分自供電的NOMA有效地結(jié)合了WPT和NOMA2個(gè)技術(shù)，具有實(shí)際的應(yīng)用前景。然而，這一框架還存在著很多待解決的問(wèn)題，由這些問(wèn)題引出了未來(lái)的研究方向。

（1）能量采集與信息接收的折中。由于在接收到無(wú)線(xiàn)電波后且解碼之前，有用信號(hào)和干擾信號(hào)無(wú)法區(qū)分開(kāi)，因此，無(wú)線(xiàn)能量采集勢(shì)必造成信息接收的性能損失，即接收信號(hào)強(qiáng)度減弱。如何取得2部分的最優(yōu)折中，以滿(mǎn)足實(shí)際應(yīng)用的需求，是首先需要解決的一個(gè)問(wèn)題，也是WPT領(lǐng)域的基本問(wèn)題之一。在NOMA場(chǎng)景下，近距傳輸?shù)母吣芰拷邮招盘?hào)使得能量分配有更大的自由度，但同時(shí)信息接收的復(fù)雜度也會(huì)增高。

（2）多天線(xiàn)設(shè)計(jì)與多用戶(hù)支持。無(wú)論是在WPT中，還是在NOMA里，利用多天線(xiàn)波束賦形進(jìn)行無(wú)線(xiàn)電波定向傳輸，都是頗具吸引力的一種設(shè)計(jì)思路。這種設(shè)計(jì)可大幅度提高傳輸效率，但也增加了波束賦形設(shè)計(jì)的復(fù)雜度。在多用戶(hù)場(chǎng)景下，多波束設(shè)計(jì)和用戶(hù)配對(duì)問(wèn)題有待進(jìn)一步考慮。從能量的角度，每個(gè)用戶(hù)希望收到盡可能多的無(wú)線(xiàn)電波；而從信息的角度，用戶(hù)希望干擾越小越好。因此，多用戶(hù)波束設(shè)計(jì)中需要考慮兩者的折中。

（3）非理想因素的影響。考慮到信道信息訓(xùn)練和反饋，無(wú)線(xiàn)能量還需要滿(mǎn)足這部分的能量消耗。在多天線(xiàn)場(chǎng)景下的信道信息訓(xùn)練和反饋開(kāi)銷(xiāo)很大，通常無(wú)法忽略。近端用戶(hù)由于距離太近，其信道特性會(huì)有所不同，如何進(jìn)行建模和訓(xùn)練，也是一個(gè)很有意義的問(wèn)題。

4 部分自供電的NOMA技術(shù)中兩用戶(hù)系統(tǒng)可達(dá)

速率初探

我們研究如圖3所示的兩用戶(hù)NOMA系統(tǒng)的可達(dá)速率。其中，近端用戶(hù)完全由采集的無(wú)線(xiàn)能量給解碼模塊供電，因此需要保證足夠的電量采集?？紤]一種混合的能量采集協(xié)議：每個(gè)時(shí)隙分成2個(gè)子時(shí)隙，第1個(gè)子時(shí)隙僅發(fā)送遠(yuǎn)端用戶(hù)（用戶(hù)2）的信息，此時(shí)近端用戶(hù)（用戶(hù)1）完全采集能量；第2個(gè)子時(shí)隙發(fā)送兩用戶(hù)疊加信息，用戶(hù)1根據(jù)能量需求進(jìn)行功率分割。每個(gè)子時(shí)隙中均需要滿(mǎn)足發(fā)射功率約束和傳輸速率約束，具體來(lái)說(shuō)，在第1個(gè)子時(shí)隙中，由于只發(fā)送用戶(hù)2的信息，用戶(hù)1的功率為零，因此功率約束為：

最后，由于用戶(hù)1是一個(gè)自供電系統(tǒng)，采集的能量應(yīng)不低于消耗的能量。設(shè)第1個(gè)子時(shí)隙的時(shí)間占比為t，信息解碼的功耗為PSIC，則有：

其中[ε]為無(wú)線(xiàn)能量轉(zhuǎn)化效率。為了刻畫(huà)兩用戶(hù)系統(tǒng)的可達(dá)速率區(qū)域，我們求解以下問(wèn)題：在上述約束下，給定其中一個(gè)用戶(hù)的速率，最大化另一個(gè)用戶(hù)的速率。這個(gè)問(wèn)題其實(shí)可以建模為：

即給定用戶(hù)1的速率r，最大化用戶(hù)2的速率。

可以證明：上述問(wèn)題是一個(gè)凸優(yōu)化問(wèn)題，可以用凸優(yōu)化理論有效地求解。通過(guò)遍歷所有可能的r值，可以刻畫(huà)出兩用戶(hù)的可達(dá)速率區(qū)域。圖4給出了一組參數(shù)下的結(jié)果。圖中4條曲線(xiàn)分別代表傳統(tǒng)的功率分割技術(shù)、時(shí)間分割技術(shù)、我們提出的混合能量采集協(xié)議，以及時(shí)分多址（TDMA）。比較這幾條曲線(xiàn)，我們所提的混合協(xié)議能獲得最大的可達(dá)速率域。實(shí)際上，混合協(xié)議包含了傳統(tǒng)的功率分割和時(shí)間分割，因此這一結(jié)果是自然的。在時(shí)間分割技術(shù)的曲線(xiàn)上我們發(fā)現(xiàn)：速率2在約220 Mbit/s時(shí)突然降為0。其原因在于：為了保證有足夠的能量，第1個(gè)子時(shí)隙的長(zhǎng)度有一個(gè)非零下界，低于這個(gè)下界系統(tǒng)將無(wú)法工作。

在上述問(wèn)題中，當(dāng)[ρ=0]或者t = 0時(shí)，退化到傳統(tǒng)的時(shí)間分割和功率分割問(wèn)題。這兩種特殊情況可以得到閉式的可達(dá)速率域。為了得到更大的可達(dá)速率域，可以根據(jù)傳輸速率動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)解碼能耗。這些問(wèn)題的具體分析參見(jiàn)文獻(xiàn)[16]。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文所提出的部分自供電的NOMA框架，結(jié)合了NOMA技術(shù)和WPT技術(shù)的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，可廣泛應(yīng)用于能量受限的多用戶(hù)系統(tǒng)。這一框架的實(shí)現(xiàn)仍有很多技術(shù)難點(diǎn)有待攻克。在解碼能量受限的兩用戶(hù)系統(tǒng)分析中，我們所提出的混合能量采集協(xié)議可以得到比傳統(tǒng)時(shí)間分割或功率分割更大的可達(dá)速率域。

參考文獻(xiàn)

[1] ZHANG R， K HO C. MIMO Broadcasting for Simultaneous Wireless Information and Power Transfer [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（5）： 1989-2001. DOI： 10.1109/TWC.2013.031813.120224

[2] LIU L， ZHANG R， CHUA K C. Wireless Information and Power Transfer： A Dynamic Power Splitting Approach [J]. IEEE Transactions on Communications， 2013， 61（9）： 3990-4001. DOI： 10.1109/TCOMM.2013.071813.130105

[3] ZHOU X， ZHANG R， HO C K. Wireless Information and Power Transfer： Architecture Design and Rate-Energy Tradeoff [J]. IEEE Transactions on Communications， 2013， 61（11）： 4754-4767. DOI： 10.1109/TCOMM.2013.071813.130105

[4] PARK J， CLERCKX B. Joint Wireless Information and Energy Transfer in a Two-User MIMO Interference Channel [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2013， 12（8）： 4210-4221

[5] LEE S， LIU L， ZHANG R. Collaborative Wireless Energy and Information Transfer in Interference Channel [J]. IEEE Transactions on Wireless Communications， 2015， 14（1）：545-557. DOI： 10.1109/TWC.2014.2354335

[6] SAITO Y， KISHIYAMA Y， BENJEBBOUR A. Non-orthogonal Multiple Access （NOMA） for Cellular Future Radio Access[C]// IEEE Veh. Technol. Conf. （VTC Spring）， Jun. 2013， pp. 1-5

[7] SAITO Y， BENJEBBOUR A， KISHIYAMA Y， et al. System Level Performance Evaluation of Downlink Non-Orthogonal Multiple Access （NOMA）[C]// 2013 IEEE 24th Annual International Symposium on Personal， Indoor， and Mobile Radio Communications （PIMRC）. IEEE： USA， 2013： 611-615. DOI： 10.1109/PIMRC.2013.6666209

[8] Al-IMARI M， XIAO P， IMRAN M A， et al. Uplink Nonorthogonal Multiple Access for 5G Wireless Networks[C]// 2014 11th International Symposium on Wireless Communications Systems （ISWCS）. IEEE： USA， 2014：781-785. DOI： 10.1109/ISWCS.2014.6933459

[9] TIMOTHEOU S， KRIKIDIS I. Fairness for Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems [J]. IEEE Signal Processing Letters， 2015， 22（10）：1647-1651. DOI： 10.1109/LSP.2015.2417119

[10] DING Z， FAN P， POOR H V. Impact of User Pairing on 5G Nonorthogonal Multiple-Access Downlink Transmissions [J]. IEEE Signal Processing Letters， 2016， 65（8）：6010-6023.DOI： 10.1109/LSP.2015.2417119

[11] DING Z， PENG M， POOR H V. Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access in 5G Systems [J]. IEEE Communication Letters， 2015， 19（8）：1462-1465. DOI： 10.1109/LCOMM.2015.2441064

[12] ZHOU S， CHEN T， CHEN W， et al. Outage Minimization for A Fading Wireless Link with Energy Harvesting Transmitter and Receiver [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2015， 33（3）： 496-511

[13] LIU Y， DING Z， ELKASHLAN M， et al. Cooperative Nonorthogonal Multiple Access with Simultaneous Wireless Information and Power Transfer [J]. IEEE Journal on Selected Areas in Communications， 2016， 34（4）： 938-953. DOI： 10.1109/JSAC.2016.2549378

[14] XU Y， SHEN C， DING Z， SUN X， et al. Joint Beamforming Design and Power Splitting Control in Cooperative SWIPT NOMA Systems[C]// IEEE Transactions on Signal Processing. USA： IEEE， 2017：4847-4886. DOI： 10.1109/TSP.2017.2715008

[15] LIU L， ZHANG Z， SHEN C， et al. Wireless Powered Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access Transmission[C]// IEEE ICC Workshops. USA： IEEE， 2018

[16] GONG J， CHEN X. Achievable Rate Region of Non-Orthogonal Multiple Access Systems with Wireless Powered Decoder[C]// IEEE Journal on Selected Areas in Communications. USA：IEEE， 2017， 35（12）： 2846-2859. DOI： 10.1109/JSAC.2017.2726242