非正交多址接入系统下行链路簇内用户数最大化研究
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摘 要： 针对非正交多址接入系统（NOMA）下行链路，基于系统吞吐量最大化原则，对簇内用户发射功率进行了最优分配，发现簇内用户数过多会导致簇内吞吐量下降，提出了给定吞吐量最小限值条件下簇内用户数最大值的估计方案.仿真结果显示：当给定吞吐量的最小限值为10 Mbit·s-1时，簇中所能包含的最大用户数为4.
关键词： 非正交多址接入（NOMA）; 功率分配; 用户配对
中图分类号： TN 929.5文献标志码： A文章编号： 1000-5137（2019）01-0013-07
Abstract： For the downlink of non-orthogonal multiple access system，by use of the principle of system throughput maximization，the transmission power of intra-cluster users was allocated optimally.However it was discovered that the intra-cluster throughput declined with the excessive number of intra-cluster users.An estimation scheme of the maximum number of intra-cluster users under the given minimum throughput limit was proposed.Simulation results showed that the maximum number of users that could be included in a cluster was 4 when the minimum limit for a given throughput was subjected to 10 Mbit·s-1.
Key words： non-orthogonal multiple access（NOMA）; power allocation; user pairing
0 引 言
在5G系统的候选关键技术中，非正交多址接入（NOMA）技术因其高频谱效率而被人们广泛关注.NOMA系统的子信道传输采用正交频分复用（OFDM）技术，子信道之间互不干扰，但多个用户可以共享同一频段内的若干子信道.NOMA系统在发送端采用非正交发送方式，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除（SIC）接收机实现正确解调.SIC接收机可根据用户信号功率大小不同，按照一定的顺序消除干扰，达到区分用户的目的.
ISLAM等[1]对NOMA的基本概念和应用场景进行了介绍.SHAHAB等[2]为使系统吞吐量和误码率达到均衡，在两用户场景下，提出了基于二分搜索方案的阈值功率改进分配方案.ALI等[3]研究了在多用户场景下，根据用户经历的信道状况的不同，对用户进行分簇，基于此分析了上下行鏈路的功率分配问题.WANG等[4]结合OFDM技术，将两用户场景拓展到多输入多输出场景，但计算复杂度有待降低.SHAHAB等[5]在传统用户配对的基础上，提出了混合用户配对方案和统一信道增益差配对（UCGD）方案，有效解决了由于用户配对造成的吞吐量差异等问题.曹雍等[6]为提高边缘小区用户公平性问题，提出了一种新的功率分配策略：根据比例公平方法，在保证每个用户最低数据传输速率的情况下，最大化复用公平性最差的用户的比例公平因子.张德坤等[7]介绍了NOMA系统下行链路接收端的干扰消除算法，并将检测算法和SIC算法相结合，有效去除了用户间干扰.
上述研究都假设NOMA系统单个簇中的用户数固定，且均没有分析同一频段中的单个用户簇所能包含的用户数.随着未来用户数的上升，从提高频谱效率的角度出发，如何在保证吞吐量的前提下最大化单簇中的用户数，逐渐成为需要进一步研究的问题.本文作者对NOMA系统下行链路中的用户进行分簇，基于系统吞吐量最大化的原则，对用户发射功率进行了最优分配;基于最优功率分配方案，在给定吞吐量最小限值条件下，保证吞吐量最大的同时，研究了NOMA系统同一频段中单簇内最大用户数的优化问题.
1 系统模型
设NOMA系统下行链路的一个用户簇中包含K个用户，用户共享ω个信道带宽为B的子信道.基站端根据用户通信链路的增益进行簇内用户间的功率分配，随后叠加簇内用户的发射信号.接收机通过SIC算法检测出各用户信号.
2 下行链路功率分配
设NOMA系统中请求接入的用户数M远大于系统可用的子信道数T，一般将共享同一频段内子信道的用户称为一个用户簇.采用下列分簇方案.
2.1 用户分簇
具体步骤为：基站将用户按照各自链路的增益由大到小的顺序进行排序，并以此作为用户的序号，依次为每条子信道分配用户，将共享同一条子信道的用户定义为一组，则每组包含T个用户。为平衡各用户簇之间的吞吐量差异，从每组中选择1个用户， 共同构成一个用户簇，同一组中的用户均与其他组的用户形成新的用户簇，故最终形成T个用户簇，每个簇中包括K个用户，第t个用户簇βt中包涵的用户序号集合为：
2.2 簇内用户间的最佳功率分配
4 实验结果及分析
4.1 参数设置
假设簇内用户数为K，共享子信道个数ω为5，每个子信道带宽B为180 kHz.假设前K-1个用户的归一化链路增益是由大到小间隔为5 dB，当第K个用户的归一化链路增益最大值不超过第K-1个用户时，研究单用户簇总吞吐量性能.NOMA系统用户簇的发射总功率Pt为23 dBm，SIC接收机处的检测阈值Ptol为10 dBm.参考目前关于5G数据传输速率最高可达100 Mbit·s-1的标准，不失一般地，设系统吞吐量最小限值为10 Mbit·s-1. 4.2 仿真结果分析
介绍了NOMA系统下行链路的用户分簇和功率分配技术，研究了单簇用户数最大化问题.以单用户簇吞吐量最大值为目标函数，同时用吞吐量最小限值对其进行约束，得到单簇内用户数最大的优化模型.仿真结果表明：在给定吞吐量限值下，单用户簇内的用户数存在最大值.NOMA系统单用户簇中用户数上限的解析表达还有待进一步研究.
参考文献：
[1] ISLAM S M R，AVAZOV N，DOBRE O A.Power-domain non-orthogonal multiple access （NOMA） in 5G systems：potentials and challenges [J].IEEE Communications Surveys and Tutorials，2017，19（2）：721-742.
[2] SHAHAB M B，KADER M F，SHIN S Y.On the power allocation of non-orthogonal multiple access for 5G wireless networks [C]//2016 International Conference on Open Source Systems and Technologies.Lahore：IEEE，2016：89-94.
[3] ALI M S，TABASSUM H，HOSSAIN E.Dynamic user clustering and power allocation for uplink and downlink non-orthogonal multiple access （NOMA） systems [J].IEEE Access，2016，4：6325-6343.
[4] WANG C L，CHEN J Y.Power allocation for a downlink non-orthogonal multiple access system [J].IEEE Wireless Communications Letters，2016，5（5）：532-535.
[5] SHAHAB M B，IRFAN M，KADER M F，et al.User pairing schemes for capacity maximization in non-orthogonal multiple access systems [J].Wireless Communications and Mobile Computing，2016，16（17）：2884-2894.
[6] 曹雍，楊振，冯友宏.新的NOMA功率分配策略 [J].通信学报，2017，38（10）：157-165.
CAO Y，YANG Z，FENG Y H.New NOMA power allocation strategy [J].Journal on Communications，2017，38（10）：157-165.
[7] 张德坤.非正交多址系统功率分配及干扰消除算法研究 [D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2015.
ZHANG D K.Research on power allocation and interference cancellation algorithms for nonorthogonal multiple access systems [D].Harbin：Harbin Institute of Technology，2015.
（责任编辑：包震宇，顾浩然）
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