一種基于刪除準(zhǔn)則的NOMA資源聯(lián)合優(yōu)化算法

黃昊 唐加山

摘 要：非正交多址 （NOMA）技術(shù)大大提高了頻譜效率，并且支持海量連接，是第五代移動通信中最具潛力的多址技術(shù)。現(xiàn)有NOMA資源分配算法僅從功率分配或子載波分配單一角度出發(fā)，未實現(xiàn)兩者的聯(lián)合優(yōu)化。因此，為實現(xiàn)發(fā)射功率受限時最大化系統(tǒng)總傳輸速率的優(yōu)化目標(biāo)，在子載波分配方案確定的情況下，提出一種基于固定子載波分配的功率分配方案。在此基礎(chǔ)上，提出一種基于速率貢獻(xiàn)比的刪除準(zhǔn)則，以實現(xiàn)子載波和功率的聯(lián)合優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該方案明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的NOMA功率分配方案，不僅降低了算法復(fù)雜度，而且提升了系統(tǒng)性能。

關(guān)鍵詞：非正交多址接入;動態(tài)資源分配;和速率;聯(lián)合優(yōu)化算法;子載波分配

DOI：10. 11907/rjdk. 182230

中圖分類號：TP312文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1672-7800（2019）003-0082-04

0 引言

在4G長期演進(jìn)（LTE）網(wǎng)絡(luò)中運用正交頻分多址技術(shù)（Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA），每個子信道或子載波在每個時隙中最多只能被一個用戶使用[1-2]。為應(yīng)對第五代移動通信（the fifth generation，5G）超大數(shù)據(jù)流量和海量設(shè)備連接需求，非正交多址（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)應(yīng)運而生。與4G的OFDMA技術(shù)不同的是，NOMA技術(shù)使得用戶可以在一個子載波上復(fù)用，共享相同的頻率資源，從而大大提高了頻譜利用效率[3-5]。

資源動態(tài)分配包括用戶配對或聚類組合以及相應(yīng)的功率分配[6-7]。合理的資源分配算法可有效降低用戶信號之間的多址干擾，提升系統(tǒng)傳輸速率，因而成為NOMA技術(shù)的研究熱點 [8-9]。根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)不同，主要分為兩個方向：

（1）在總發(fā)射功率受限情況下實現(xiàn)系統(tǒng)總傳輸速率的最大化。針對該目標(biāo)，文獻(xiàn)[10]提出了窮盡搜索法，可實現(xiàn)理論上的系統(tǒng)總傳輸速率最優(yōu)，但計算復(fù)雜度高，很難應(yīng)用到實際系統(tǒng)中。文獻(xiàn)[11]提出了一種固定功率分配算法。該算法不考慮用戶當(dāng)前的信道狀態(tài)，僅按照固定的等比數(shù)列分配功率，優(yōu)點是計算復(fù)雜度低，缺點是系統(tǒng)總傳輸速率性能不佳。文獻(xiàn)[12]證明了該優(yōu)化問題是NP-Hard問題，通過將其目標(biāo)函數(shù)分解為凸函數(shù)差，利用連續(xù)凸逼近方式迭代求得資源分配的最優(yōu)解。文獻(xiàn)[13]提出一種應(yīng)用在全雙工無線通信中的資源動態(tài)分配算法。

（2）在保證用戶最小傳輸速率要求的情況下最小化發(fā)送端傳輸功率以節(jié)約發(fā)射機消耗。文獻(xiàn)[14]提出了一種單輸入單輸出場景下子載波與功率聯(lián)合分配的啟發(fā)式算法。文獻(xiàn)[15]的算法基于每個子載波上最多復(fù)用兩個用戶，且在子載波上各個用戶的最小傳輸速率相同的場景下提出。文獻(xiàn)[16]依據(jù)信道增益進(jìn)行用戶功率分配，提出一種基于KKT條件的最佳功率分配方式。文獻(xiàn)[17]利用拉格朗日對偶函數(shù)放寬單體功率的約束，構(gòu)建拉格朗日松弛法的子問題，并通過功率離散化及基于動態(tài)回話的方法解決優(yōu)化問題。

在現(xiàn)有文獻(xiàn)研究的基礎(chǔ)上，本文對第（1）個方向的問題展開了研究?？紤]一個通用的NOMA系統(tǒng)，該系統(tǒng)既不限制每個子載波上復(fù)用用戶數(shù)，也不限制子載波上每個用戶的速率分配[18]，提出一種聯(lián)合動態(tài)分配資源方案，實現(xiàn)在發(fā)射總功率一定時最大化系統(tǒng)總傳輸速率的目標(biāo)。方案的創(chuàng)新點有：①提出一個在固定子載波分配情況下的最佳功率分配方案;②基于最佳功率分配，提出一種刪除準(zhǔn)則，除去在子載波上性能價差的用戶，迭代此過程實現(xiàn)子載波分配和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，該算法幾乎達(dá)到最優(yōu)解，且性能優(yōu)于OFDMA和傳統(tǒng)的NOMA功率分配方案。

2 算法設(shè)計

由于目標(biāo)函數(shù)存在非線性表達(dá)式，因此OP1不是典型的凸規(guī)劃問題，需要將其轉(zhuǎn)化為可解的凸可行問題。因此，首先提出固定子載波分配矩陣下對應(yīng)的最佳功率分配，然后提出一個低復(fù)雜度的算法聯(lián)合優(yōu)化子載波分配和功率分配。

2.2 功率分配與子載波分配聯(lián)合優(yōu)化

更新功率分配矩陣和子載波分配矩陣后，驗證是否滿足式（23）的迭代終止條件。從用戶角度看，式（28）的刪除規(guī)則確保了重要的子載波（速率比高）在迭代中依然被當(dāng)前用戶使用，這將保證算法收斂到最佳性能。對于每個子載波，最多需要[（K-G）]次迭代，進(jìn)行[N（K-G）]次功率分配，逐漸收斂到最佳性能。與窮盡搜索算法相比，該算法可行性高。

3 仿真結(jié)果及分析

某中心基站用戶隨機分布在單個小區(qū)內(nèi)的NOMA下行鏈路傳輸系統(tǒng)，各個子載波信道服從獨立的瑞利衰落。本文信道仿真使用COST231-Hata傳播模型[20]，其路徑損耗為[128.1+37.6log10（d）dB]，其中d是基站和用戶之間的距離，單位為km，陰影標(biāo)準(zhǔn)偏差設(shè)置為[10dB]，噪聲頻譜密度為[-174dBm/Hz]，子載波間隔為[15 kHz]。

首先，假設(shè)小區(qū)用戶數(shù)[K=3]和子載波數(shù)[（N=8）]，每個子載波上復(fù)用用戶限制[（G=2）]，小區(qū)半徑為300m。圖1比較了不同算法在提升系統(tǒng)總?cè)萘糠矫娴男阅?。其中，固定功率分配方案是利用本文算法獲得最佳子載波分配之后，在單個子載波上采用固定功率分配算法。由圖1可知，隨著總發(fā)射功率的增大，3種方案的系統(tǒng)總傳輸速率也隨之增大。但在同一發(fā)射功率處，本文算法系統(tǒng)總傳輸速率明顯大于固定功率分配方案，性能與最優(yōu)的窮舉搜索法幾乎相同。

圖2比較了系統(tǒng)總傳輸速率與小區(qū)半徑之間的關(guān)系，小區(qū)半徑越大信道狀態(tài)越差。隨著小區(qū)半徑的增加，系統(tǒng)總?cè)萘恐饾u下降。但是在任一發(fā)射功率下，本文算法的系統(tǒng)總傳輸速率均高于固定功率分配算法，再次驗證了其在提升系統(tǒng)總傳輸速率方面的優(yōu)越性能。

為顯示最大復(fù)用用戶數(shù)G值對系統(tǒng)總傳輸速率的影響，圖3對不同用戶復(fù)用限制下（即G的取值不同）利用本文算法進(jìn)行資源分配的結(jié)果進(jìn)行仿真。[G=1]為傳統(tǒng)的OFDMA系統(tǒng)，采用注水算法為用戶分配功率。由圖3可知，G值越大，系統(tǒng)總?cè)萘吭酱蟆４送?，從[G=3]到[G=KK>3]，系統(tǒng)總傳輸速率差異不大，這是因為復(fù)用更多的用戶將導(dǎo)致差信道上用戶的CINR更差。因此，復(fù)用用戶數(shù)G取2或3就可獲得很好的性能，G值越大會使計算復(fù)雜度越高。

4 結(jié)語

本文改進(jìn)了傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)資源分配模型，提出了一種基于刪除準(zhǔn)則的資源分配算法。通過子載波分配和功率分配的聯(lián)合優(yōu)化，為NOMA系統(tǒng)的資源分配提供了一種新途徑。仿真結(jié)果表明，與傳統(tǒng)的資源分配算法相比，該算法提高了系統(tǒng)總傳輸速率，可接近最優(yōu)性能。但本文算法是在單輸入單輸出場景實現(xiàn)的，未來可將該算法應(yīng)用到多輸入多輸出場景中。

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（責(zé)任編輯：杜能鋼）