異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下多用戶非正交多址接入方法研究

謝熠

(西北工業(yè)大學(xué) 電子信息學(xué)院, 陜西 西安 710072)

自20世紀(jì)90年代起，多輸入多輸出(multiple-input multiple-output,MIMO)技術(shù)被廣泛研究并應(yīng)用于通信系統(tǒng)中。其優(yōu)勢在于能夠在同一資源上，大幅度提升無線通信系統(tǒng)的頻帶利用率，并且不增加額外的功率消耗[1]。隨著智能移動終端的普及以及多種用戶業(yè)務(wù)需求的不斷增長，下一代移動通信系統(tǒng)需達(dá)到在同一空間、時間、頻率三維資源上服務(wù)更多用戶、增加系統(tǒng)的頻帶利用率、提高通信的可靠性以及降低系統(tǒng)功率損耗的目標(biāo)。2015年2月，IMT-2020推進(jìn)組在北京發(fā)布5G(5th generation)概念白皮書，5G多元通信結(jié)構(gòu)相比于4G通信，應(yīng)該能夠提高10～20倍峰值速率，5～15倍的頻譜效率，降低5倍的時延[2]。

為了實現(xiàn)所提出的目標(biāo)，異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)將成為5G的基本組網(wǎng)形態(tài)。異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是指多個微小區(qū)重疊覆蓋在一個宏小區(qū)上[3]。相比宏小區(qū)，微小區(qū)發(fā)送功率更低，密度更大。微小區(qū)允許重復(fù)利用網(wǎng)絡(luò)資源。通過一定的干擾管理方式，異構(gòu)結(jié)構(gòu)可以顯著提高系統(tǒng)容量。負(fù)載不均衡是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中一個重要的問題，即網(wǎng)絡(luò)中的大部分用戶更傾向于連接功率更大的宏基站，導(dǎo)致微小區(qū)負(fù)載小，資源不能充分利用。常用的解決辦法是通過人為擴(kuò)張微小區(qū)覆蓋面積，將邊緣用戶歸納到微小區(qū)內(nèi)服務(wù)，使多層小區(qū)間可以復(fù)用資源，提升整個網(wǎng)絡(luò)及微小區(qū)邊緣用戶的性能[4]。在此基礎(chǔ)上，若在同一個資源維度上服務(wù)多個用戶，可以進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)容量。在用戶業(yè)務(wù)需求和用戶數(shù)量急劇增長的情況下，如何進(jìn)一步提升微小區(qū)的吞吐量成為學(xué)術(shù)界和工業(yè)界重點關(guān)注的問題。

多址接入技術(shù)在無線通信發(fā)展進(jìn)程中一直扮演著重要角色。為了在保證良好系統(tǒng)吞吐量的同時，保持接收的低成本，業(yè)內(nèi)提出采用新型多址接入復(fù)用方式，即非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)[5-6]。在1G～4G的移動通信中，一直應(yīng)用的是正交多址接入(orthogonal multiple access,OMA)技術(shù)，分別為頻分多址技術(shù)、時分多址技術(shù)、碼分多址技術(shù)和正交頻分多址(orthogonal frequency-division multiple access,OFDMA)技術(shù)。OMA技術(shù)的優(yōu)勢在于接收端可以在時間域、頻率域或者碼域完整去除正交資源上的干擾信號，然而會造成額外占用資源的情況。而NOMA允許多用戶共享同一空時頻資源，并提升頻譜效率、邊緣用戶吞吐量、減少信道反饋量及發(fā)送時延。這其中，功率域的NOMA[7-8]受到學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的大量關(guān)注，因此本文主要關(guān)注這一領(lǐng)域。

功率域的NOMA在相同的時頻資源上服務(wù)多個用戶，給不同用戶分配不同發(fā)送功率，并通過用戶信道增益的差別來區(qū)分用戶。在發(fā)送端，多用戶信號在功率域疊加發(fā)送，通過主動引入可控制的干擾信息，并在接收端進(jìn)行多用戶檢測算法，如使用串行干擾消除(successive interference cancellation,SIC)解調(diào)出所需要的用戶信號[9]。相比于正交的傳輸方式，非正交方式可以獲得更高的頻譜利用率，然而會增加其接收機(jī)復(fù)雜度。隨著微電子技術(shù)的發(fā)展，芯片處理能力不斷增加，為非正交傳輸技術(shù)的實際應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。NOMA技術(shù)在發(fā)送端采用功率分配，接收端采用SIC技術(shù)，在時頻域使用OFDM技術(shù)，這些技術(shù)都較為成熟，實現(xiàn)難度相對較小，易與現(xiàn)有技術(shù)結(jié)合，為NOMA實現(xiàn)提供了技術(shù)保證，更適合未來系統(tǒng)的部署。

未來部署的5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，將使用空域波束技術(shù)服務(wù)多用戶。目前已有一些文獻(xiàn)分析其性能。使用波束服務(wù)用戶的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能在中斷概率及總速率性能上都有顯著提升[10]。基于負(fù)載均衡的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)性能分析得出，小區(qū)擴(kuò)張可以使小區(qū)資源得到充分復(fù)用，從而顯著提升系統(tǒng)性能[11]。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，如何充分利用有限的資源是提升網(wǎng)絡(luò)容量的關(guān)鍵因素。而NOMA提供了在同一資源下服務(wù)多個用戶的可行性，這是傳統(tǒng)的多址接入方式無法做到的。因此，在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中引入NOMA技術(shù)十分必要。

同時，國外關(guān)于NOMA的研究已經(jīng)取得一些可喜的成果。日本NTT DoCoMo公司首先提出了比較系統(tǒng)化的方案[5]。在使用低頻帶的城市宏蜂窩中采用NOMA的接入方式，可使無線接入宏蜂窩的總吞吐量提高50%左右。隨后，學(xué)者們將NOMA技術(shù)拓展與MIMO技術(shù)相結(jié)合[12]，對于下行發(fā)送可以使用波束成形技術(shù)將空間域增加到用戶共享維度中，通過波束消除空間干擾，再在各個波束內(nèi)使用相同時頻資源和NOMA技術(shù)服務(wù)多個用戶。

隨著對NOMA的研究深入，該技術(shù)被應(yīng)用于不同的網(wǎng)絡(luò)場景中。基于NOMA的基本原理，有學(xué)者提出了協(xié)作NOMA的概念[13-14]，在中繼網(wǎng)絡(luò)中，第一階段采用傳統(tǒng)NOMA發(fā)送，主用戶檢測出從用戶信息后，在第二階段作為協(xié)作中繼將信息發(fā)送給從用戶，從而提高從用戶性能。緊接著，NOMA被應(yīng)用于全雙工和D2D(device-to-device)網(wǎng)絡(luò)中[15-16]，同時實現(xiàn)發(fā)送和接收，進(jìn)一步提升系統(tǒng)性能。隨后，有學(xué)者將NOMA應(yīng)用于認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)中[17]，研究了網(wǎng)絡(luò)的能量效率[18]及QoS保障問題[19]。基于現(xiàn)有研究發(fā)現(xiàn)，目前鮮有文獻(xiàn)將NOMA技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)微小區(qū)系統(tǒng)中。

本文關(guān)注異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的某一層微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，通過小區(qū)擴(kuò)張方式，對小區(qū)原覆蓋區(qū)域用戶及擴(kuò)張區(qū)域用戶使用NOMA技術(shù)，在保證原小區(qū)用戶性能的基礎(chǔ)上，增加邊緣用戶吞吐量，提升系統(tǒng)性能。本文考慮多波束NOMA網(wǎng)絡(luò)，并將其應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的微小區(qū)系統(tǒng)，提出了主用戶在原微小區(qū)覆蓋范圍選擇，從用戶在擴(kuò)張區(qū)域選擇的方法以及波束生成策略。通過仿真性能驗證，本文提出的NOMA性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)OFDMA方式，能夠很好地應(yīng)用于微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，在高信噪比條件下能夠達(dá)到2倍速率提升，并增加了網(wǎng)絡(luò)性能及邊緣用戶的性能。

1 系統(tǒng)模型

本文針對5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的某一同層微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)，研究在相同空時頻3個維度資源下應(yīng)用NOMA技術(shù)提升系統(tǒng)吞吐量的問題。如圖1所示。一個異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中的同層微小區(qū)基站配備大規(guī)模天線系統(tǒng),采用MIMO技術(shù)及多波束(beam forming,BF)技術(shù)服務(wù)多用戶。假設(shè)同層微小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中每個小區(qū)配置相同,且小區(qū)間距較遠(yuǎn)。每個微小區(qū)基站配備Nt根發(fā)送天線,發(fā)送波束有N(NN),擴(kuò)張區(qū)域內(nèi)覆蓋用戶數(shù)為K2(K2>N)。接收端用戶配備單天線。每個空時頻資源下可以同時選擇多個用戶進(jìn)行NOMA。這里為了簡化分析,假設(shè)每個波束服務(wù)2個用戶,其中信道增益大的用戶稱為主用戶,信道增益小的用戶稱為從用戶。

圖1 網(wǎng)絡(luò)場景

第n個波束下的2個用戶接收信號分別為yn,1和yn,2,其中

(1)

式中,i∈{1,2},n∈{1,…,N}。發(fā)送信號xk是第k個波束下2個用戶信號的疊加

(2)

式中，sk,1和sk,2分別為主用戶和從用戶的信號,滿足|sk,i|2=1,pk,1和pk,2分別為主用戶和從用戶的功率,滿足pk,1+pk,2=1。hn,i,i∈{1,2}分別代表第n個波束內(nèi)主用戶和從用戶的信道條件。這里信道條件包括了大尺度路徑損耗及小尺度瑞利衰落。其中,小尺度衰落服從CN(0,1)的瑞利衰落。wk是第k個波束成形矢量。zn,i是服從CN(0,1)的復(fù)高斯白噪聲。

1.1 NOMA-BF工作原理

在NOMA-BF系統(tǒng)中采用的第一個關(guān)鍵技術(shù)為空時頻資源復(fù)用及功率分配。由(2)式可知,同一個波束內(nèi)同一時頻資源塊上,發(fā)出的信號為非正交的2個用戶信號的線性疊加。同一波束下的2個用戶在收到自己信號的同時也會接收到另一個用戶的干擾信號。這時,區(qū)別用戶信號主要依靠2個用戶分配的不同功率?；驹诎l(fā)送端會對不同的用戶分配不同的信號功率,來獲取系統(tǒng)最大的性能增益。在基站發(fā)送端,以圖2a)中的波束1為例,主用戶M1和從用戶S1在完全相同的空時頻資源上進(jìn)行數(shù)據(jù)發(fā)送,其中信號依照不同的功率相加。其中,如圖2b)所示,M1的信道比較好,分配較少的功率就可達(dá)到正確解調(diào),而S1的信道較差,需要分配較高的功率才能實現(xiàn)解調(diào)。

圖2 NOMA-BF原理圖

在NOMA-BF系統(tǒng)中采用的第二個關(guān)鍵技術(shù)為SIC。通過引入干擾信息獲得更高的頻譜效率,但是同樣也會遇到多址干擾的問題。NOMA在接收端采用SIC接收機(jī)來實現(xiàn)多用戶檢測。SIC的原理是對接收到的信號中多個用戶信息做判決檢測及數(shù)據(jù)重構(gòu),即在原有信號中依次去除判決出的用戶信號，直到判決出所有的干擾信號。SIC在接收端消除干擾,需要排出判決用戶的先后順序，依據(jù)用戶信道功率比噪聲的大小,比值越小的用戶優(yōu)先進(jìn)行SIC。若接收信號的用戶發(fā)現(xiàn)自己的信道功率比噪聲值最大,則不需要再進(jìn)行SIC。如圖2a)中波束1所示,在M1接收到信號并檢測其的信道功率噪聲比低于S1,為了獲取M1的真實信號,首先需要解出S1的信號,然后用接收信號減去S2的重構(gòu)信號,進(jìn)而判決得到M1的信號。在S1接收到信號后,雖然其信號包含了應(yīng)該發(fā)送給M1的信號,但這部分干擾信號的功率遠(yuǎn)低于S1的真實信號,直接判決不會對S1造成嚴(yán)重的性能損失,因此直接譯碼即得到S1的真實信號。

1.2 接收信干噪比表達(dá)式

基于(1)式,可以得出主用戶接收信號為

(3)

(4)

同時,從用戶的接收信號為

(5)

與主用戶不同的是,從用戶不進(jìn)行SIC,因此,從用戶SINR為

(6)

2 方案設(shè)計

本文中有2個關(guān)鍵技術(shù)的設(shè)計,波束成形矢量設(shè)計和用戶選擇方案。第1節(jié)SINR分析可以看出,波束成形矢量決定了小區(qū)內(nèi)波束間的干擾特性,而用戶選擇決定了波束內(nèi)用戶間干擾特性。這兩個因素都直接決定了系統(tǒng)的性能。

2.1 波束成形策略

在一個多用戶MIMO系統(tǒng)中,最大系統(tǒng)容量可由臟紙編碼和注水算法獲得。但因其復(fù)雜性,并不能夠在實際中應(yīng)用。本文選擇簡單且實用的迫零波束法來實現(xiàn)最大容量。發(fā)射端產(chǎn)生迫零波束需要完全知道某個用戶的信道信息。選擇每個主用戶信道作為波束成形的信息，在一個微小區(qū)中,所有主用戶的選擇遵循

(7)

式中,Γ1為原小區(qū)范圍內(nèi)多用戶MIMO時的小區(qū)可實現(xiàn)速率,ri為此時第i個用戶的速率。

W=[w1,…,wN]=H+F=H*(HH*)-1F

(8)

(·)+,(·)*分別表示偽逆及共軛轉(zhuǎn)置，F(xiàn)為功率歸一化因子。

2.2 用戶選擇方案

在5G異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中,微小區(qū)基站為了平衡網(wǎng)絡(luò)負(fù)載,常常需要進(jìn)行范圍擴(kuò)張。考慮在此情況下的NOMA-BF?；九鋫潢嚵刑炀€,形成多個波束,每個波束服務(wù)2個用戶。主用戶為微小區(qū)原覆蓋區(qū)域用戶，基站波束以主用戶的信道增益形成迫零波束。從用戶為小區(qū)擴(kuò)張后覆蓋區(qū)域的用戶，選擇遵循速率最大化原則。

(9)

式中,Γ2為擴(kuò)張后微小區(qū)從用戶的總速率,rj為第j個從用戶速率。

方案設(shè)計流程如圖3所示。

圖3 微小區(qū)NOMA-BF方案流程圖

(10)

綜合(10)式和(6)式,可以得到波束n的總速率為

Rn=Wlog2(1+τn,1)+Wlog2(1+τn,2)=

(11)

3 仿真分析

3.1 仿真場景及仿真參數(shù)設(shè)置

本仿真部署某異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)包含1個宏基站和多個微基站。宏小區(qū)覆蓋半徑為500 m,微小區(qū)原始覆蓋半徑為100 m。微基站分布及用戶分布均服從泊松點過程,在整個網(wǎng)絡(luò)內(nèi)隨機(jī)均勻分布。系統(tǒng)帶寬歸一化為1,基站分給每波束發(fā)送功率為1。數(shù)據(jù)調(diào)制方式為QPSK。

表1 仿真中網(wǎng)絡(luò)參數(shù)配置

3.2 仿真結(jié)果

如圖4所示,本仿真對比了在不同用戶功率分配比時,主用戶和從用戶的信噪比與誤碼率曲線。小區(qū)擴(kuò)張半徑為20 m。從圖中可以看出,功率分配比為1/9時2個用戶的誤碼率總體要小于功率分配比為2/3情況,且主用戶誤碼性能變化更大。這是由于從用戶所處位置較遠(yuǎn),路徑損耗大,分配更多的功率同時能夠降低主用戶的干擾,增加解調(diào)正確率。同時,主用戶進(jìn)行干擾消除時,判斷從用戶信息正確度也會提高,也能增加主用戶的正確度。當(dāng)信噪比很大時,主用戶功率增大會顯著降低誤碼性能。

圖4 不同功率分配比時的主用戶與從用戶誤碼率

圖5為小區(qū)網(wǎng)絡(luò)分別采用NOMA方案與OFDMA方案時,系統(tǒng)平均每波束頻譜效率的對比。NOMA采用主從用戶功率分比為1/4,擴(kuò)張半徑為20 m。OFDMA時兩用戶平均分配頻譜。隨著系統(tǒng)信噪比的增加,無論NOMA還是OFDMA方案的系統(tǒng)總速率也在增加。但在本文仿真的場景下,NOMA方案要顯著優(yōu)于OFDMA方案,尤其是在高信噪比條件下。這印證了在下一代通信技術(shù)中采用NOMA的可行性。

圖5 NOMA與OFDMA方案對比

圖6對比了用戶選擇算法與隨機(jī)用戶調(diào)度法在不同信噪比和發(fā)送功率配比條件下的每波束可實現(xiàn)速率。本仿真微小區(qū)擴(kuò)張半徑為40 m,NOMA用戶功率配比分別為1/4和2/3。從仿真結(jié)果可以看出,無論在哪種功率配比條件下,用戶選擇算法都要優(yōu)于隨機(jī)用戶調(diào)度。這是因為算法保證每次選擇的用戶都是能夠達(dá)到系統(tǒng)容量最大的用戶。仿真時用戶數(shù)有限,若在密集用戶場景中,本方案會帶來更好的增益。

圖6 用戶選擇方案性能驗證

圖7為邊緣用戶平均速率與小區(qū)擴(kuò)張范圍的關(guān)系。NOMA用戶功率分配比為1/4。從圖中可以看出,擴(kuò)張因子越小,邊緣用戶速率越大。這主要是由路徑損耗決定的,隨著擴(kuò)張范圍的增加,小區(qū)邊緣用戶接收到的信號能量越小,導(dǎo)致速率減小。在本仿真場景中,擴(kuò)張范圍較小時(小于40 m),邊緣用戶速率可以達(dá)到最優(yōu)值,隨后趨于平緩(40～80 m),繼續(xù)增大擴(kuò)張范圍,則邊緣用戶速率會嚴(yán)重惡化,導(dǎo)致無法服務(wù)。合理的設(shè)置擴(kuò)張區(qū)域可以有效地保證NOMA的性能。同時,從圖中可以看出,合適的用戶選擇算法可以顯著提升邊緣用戶速率。

圖7 邊緣用戶速率與擴(kuò)張范圍的關(guān)系

4 結(jié) 論

在5G無線通信系統(tǒng)研究進(jìn)程中,NOMA和異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)微小區(qū)波束通信都已被視為重要技術(shù)。為了實現(xiàn)下一代無線網(wǎng)絡(luò)的高速通信需求,本文提出了將NOMA技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)微小區(qū)系統(tǒng)的方法。在同一空時頻資源上,以功率差分用戶數(shù)據(jù),并用SIC方法解調(diào)。主用戶位于微小區(qū)原覆蓋范圍內(nèi),從用戶位于擴(kuò)張區(qū)域內(nèi)。用戶調(diào)度原則為調(diào)度能夠使系統(tǒng)速率最大化的用戶。小區(qū)內(nèi)波束成形使用主用戶信道信息,減少波束間干擾。仿真結(jié)果表明,本文提出的方法能夠很好的應(yīng)用于微小區(qū)網(wǎng)絡(luò),優(yōu)于傳統(tǒng)OFDMA方式,在高信噪比條件下能夠達(dá)到2倍速率提升,并且在保證原小區(qū)用戶性能的基礎(chǔ)上,能夠有效提升邊緣用戶的吞吐量。在下一步的研究中,將考慮在本文的系統(tǒng)中,引入多種通信方式,如協(xié)作通信,進(jìn)一步提升邊緣用戶的性能。