周煜 黃學軍

摘 要：針對應用非正交多址接入（NOMA）的上行通信系統(tǒng)，為了保證用戶服務質量，盡可能提高系統(tǒng)傳輸速率，通過限制每個子帶中復用用戶數(shù)量以及每個用戶可占用子帶數(shù)，提出一種子帶和用戶分配的優(yōu)化算法。同時，還提出一種功率分配方案以最大化系統(tǒng)和速率，并利用KKT最優(yōu)約束條件求出問題最優(yōu)解。仿真結果表明，該方案保證了一定的用戶公平性，同時系統(tǒng)傳輸速率性能優(yōu)于傳統(tǒng)多址接入系統(tǒng)。

關鍵詞：上行鏈路;非正交多址接入;子帶分配;功率分配

DOI：10. 11907/rjdk. 182212

中圖分類號：TP312文獻標識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0073-05

0 引言

隨著無線通信技術快速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊缺。智能終端普及和多種新型數(shù)據(jù)業(yè)務發(fā)展促使新一代移動通信系統(tǒng)5G成為通信領域研究熱點。非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）作為5G關鍵技術已被納入ATSC 3.0規(guī)范[1]。文獻[2]提出與當前4G通信系統(tǒng)相比，下一代（5G）無線通信網絡應該在覆蓋范圍、吞吐量、頻譜效率和用戶體驗方面顯著改進。

正交多址（OMA）架構已在4G系統(tǒng)中被廣泛采用，其每個子頻帶僅分配給一個用戶，以便用戶間不相互干擾[3]。在NOMA系統(tǒng)中，多個用戶可以被分進同一組，并能同時共享相同子帶[4]。上行NOMA與下行NOMA有很大不同，在上行鏈路NOMA中，多個發(fā)射機（UE）在相同無線電頻譜（子帶）上非正交地發(fā)射到單個接收機（BS），每個UE以最大發(fā)射功率或受控發(fā)射功率獨立發(fā)射其信號。與OMA系統(tǒng)相比，NOMA已被證明可以實現(xiàn)更好的系統(tǒng)容量，并提高頻譜效率，但仍面臨著挑戰(zhàn)[5-6]。雖然資源分配問題已經在OMA系統(tǒng)中得到了廣泛研究，但是對于NOMA系統(tǒng)來說，子帶、用戶和功率分配問題并沒有得到解決。

下行NOMA系統(tǒng)研究已經廣泛開展，而對上行系統(tǒng)的研究則較少。文獻[7-9]研究了下行鏈路用戶配對問題，其中公平性問題是研究重點[10]。文獻[11]提出，如果沒有為每個上行NOMA用戶選擇適當?shù)哪繕藬?shù)據(jù)速率，用戶將總是處于中斷狀態(tài)。文獻[4]、文獻[12]研究了上行NOMA系統(tǒng)中不同子帶的分配策略。前者旨在最大化總和速率，并選擇具有更好信道條件的用戶。每個用戶在所有子帶上執(zhí)行注水算法，并計算每個子帶上的用戶速率，基站根據(jù)貪婪原理為L用戶分配可達到最佳數(shù)據(jù)速率的子帶。然而，每個用戶使用子帶的數(shù)量沒有被限制，并且信道狀況差的小區(qū)邊緣用戶不能保證被分配到子帶。文獻[13]介紹了上行鏈路多天線系統(tǒng)，分析了集合選擇和功率分配方案，并且在信道條件差的用戶之間假定發(fā)射功率相等。

本文主要研究上行NOMA系統(tǒng)中子帶、用戶以及功率的分配問題，在文獻[4]基礎上限制每個子帶上復用的用戶數(shù)目（L）和每個用戶可以占用的子帶數(shù)（Ns），得到一種優(yōu)化資源分配算法，并提出一種新的功率分配方案，盡可能提高系統(tǒng)傳輸速率，通過KKT最優(yōu)約束條件求出問題最優(yōu)解。仿真結果表明，所提方法的性能優(yōu)于同場景文獻[4]方案。

1 系統(tǒng)模型

假設在蜂窩上行鏈路傳輸系統(tǒng)中有K個用戶，并且每個用戶配備單天線，系統(tǒng)分為N個子帶，總帶寬為[WT]，每個子帶的帶寬為[WSC=WTN]。為了提高頻譜效率，可以將子帶分配給具有更好信道系數(shù)的L個用戶，但接收機的復雜度也隨著每個子帶上用戶數(shù)L增加而增加。由于L個用戶在同一個子帶內相互干擾，因此在基站側，每個子帶獨立進行L多用戶檢測。

2 資源分配算法

基于式（4）中的問題描述，本文通過約束系統(tǒng)中子帶數(shù)N、每個子帶上允許共用子帶的用戶數(shù)L以及每個用戶允許使用的子帶數(shù)[Ns]，提出一個資源分配優(yōu)化算法。定義[gk，n=hk，n2σ2]，算法包含兩個主要步驟。

3 功率分配策略

為了減少用戶之間的干擾并最大化系統(tǒng)總和速率，合理的功率分配策略非常必要。假設子帶n中有L個用戶，其中[hk，n2=γk，n]，且令[γk，nγk+1，n，？k=1，2？，（L-1）]。每個用戶的發(fā)射功率為[Pk，n]，則子帶n的傳輸速率為：

上述是2個用戶復用在子帶中的求解，子帶分配完成后，在每一個子帶上執(zhí)行該功率分配方案，直到每一個用戶都被分配到合理的功率。理論上該方案也可以滿足L用戶的情形，需進一步研究。

4 仿真結果及分析

本文用Matlab 軟件對子帶分配及功率分配方法進行測試仿真，信道條件選擇瑞利衰落信道，基站位于小區(qū)中心，小區(qū)半徑為1 000m。噪聲功率譜密度為-174dBm/hz，系統(tǒng)總帶寬為4.32Mhz，用戶距離基站的距離為d，路徑損耗由式（22）給出。

假設系統(tǒng)中用戶數(shù)為K，子帶數(shù)N為30，為了簡便，令每個子帶允許復用的最大用戶數(shù)L與每個用戶允許使用的子帶數(shù)NS相等，但改變其數(shù)值以得到仿真結果進行比較。設定兩種情形：情形1，位于靠近小區(qū)中心的用戶數(shù)為[13K]，邊緣用戶數(shù)為[23K];情形2與此相反。從圖1中可以看出，用戶速率峰值隨著L和NS的不同組合而改變，情形1中，當L=NS=3時速率達到峰值;情形2中，當L=NS=2時速率達到峰值。由此可以得出，當邊緣用戶數(shù)占比不同時，使系統(tǒng)和速率最大化時的L與NS的組合不同。

5 結語

有效的用戶分組方案和功率分配方案是實現(xiàn)成功NOMA系統(tǒng)的關鍵。本文對系統(tǒng)和速率與系統(tǒng)公平性、L與NS之間對應關系有了更深認識，根據(jù)小區(qū)中心用戶與邊緣用戶的比例以及信道系數(shù)，改變L和NS，可以影響系統(tǒng)和速率與公平性。研究發(fā)現(xiàn)，當NS=1時，系統(tǒng)可達到最大和速率，而系統(tǒng)公平性卻隨著NS的增加而增加。因此，本文通過限制NS防止邊緣用戶不能被分配到子帶，保證了邊緣用戶的最低速率，同時也利用KKT條件，得出使系統(tǒng)和速率盡可能最大的功率分配方案。仿真結果表明，性能與文獻[4]的資源分配方案相比有顯著提高。此外，SIC中的錯誤傳播可能會大幅降低NOMA性能，因此本文僅考慮2個用戶共用同一子帶資源的情況。隨著SIC技術發(fā)展，多用戶共用同一子帶資源的高效NOMA方案也將得以實現(xiàn)，將是今后研究重點。

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（責任編輯：何 麗）