全雙工認知NOMA網(wǎng)絡下中繼選擇策略性能分析

楊鍵泉 賀玉成 馬夢歡 周 林

(華僑大學廈門市移動多媒體通信重點實驗室, 福建廈門 361021)

1 引言

作為第五代移動通信網(wǎng)絡(5G)最有潛力的技術之一,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技術具有高頻譜效率,低延遲,大規(guī)模連接等優(yōu)勢[1]。NOMA技術的基本思想是通過在功率域?qū)Χ鄠€用戶進行線性疊加,實現(xiàn)在同一資源塊(時域,頻域或者空域)上通信。在NOMA用戶端采用串行干擾消除技術(successive interference cancellation, SIC)解碼所期望的信號,解碼信號的順序是根據(jù)信道條件或用戶的服務質(zhì)量需求決定。文獻[2]在下行協(xié)作NOMA系統(tǒng)基礎上,提出了一個兩級中繼選擇策略,并與傳統(tǒng)最大最小中繼選擇策略作對比,推導了兩種選擇策略下的系統(tǒng)的中斷概率,證明前者能顯著提升系統(tǒng)性能,可實現(xiàn)最大的分集增益。文獻[3]研究了在Nakagami-m信道下,通過采用兩級中繼選擇策略來提高協(xié)作下行NOMA系統(tǒng)的保密中斷性能。

認知無線電(cognitive radio, CR)技術作為另一種有效解決頻譜短缺的技術,允許次級網(wǎng)絡接入主網(wǎng)絡授權頻譜。把NOMA技術與CR技術相結合,可進一步提高頻譜效率的同時,從而實現(xiàn)更智能頻譜共享[4]。認知NOMA網(wǎng)絡主要分為交織式,底層式以及覆蓋式三種。在底層認知NOMA網(wǎng)絡中,必須保證主用戶的干擾功率在可容忍干擾約束以下,次級網(wǎng)絡才被允許接入授權頻譜通信。文獻[5]研究了在不完美SIC場景下,推導了底層認知NOMA系統(tǒng)中斷概率的閉合解。文獻[6]分析了下行協(xié)作認知NOMA系統(tǒng)在不同距離下對系統(tǒng)的中斷性能影響,結果表明,不同的距離下,選取適當?shù)墓β史峙湟蜃涌梢员ＷC次級用戶間的公平性。同時證明了不管是否有干擾約束,采用NOMA協(xié)議下的系統(tǒng)性能都優(yōu)于OMA協(xié)議下的性能。文獻[7]研究了一種具有多個次級用戶的下行認知NOMA網(wǎng)絡,文中考慮了不完美信道狀態(tài)信息的場景,推導了次級用戶中斷概率的廣義閉合解,并評估了不同功率因子對系統(tǒng)性能的影響。文獻[8]研究了基于部分中繼選擇策略對下行認知NOMA網(wǎng)絡性能影響,結果驗證了中繼數(shù)目和功率分配因子對系統(tǒng)性能的影響。文獻[9]研究了一種新的上下行認知NOMA網(wǎng)絡,文中同時考慮了全雙工和不完全SIC場景,并采取部分中繼選擇策略來提高系統(tǒng)性能。由于底層認知NOMA網(wǎng)絡存在嚴重的網(wǎng)絡間干擾問題,文獻[10]提出了一種新的覆蓋式認知NOMA網(wǎng)絡,在網(wǎng)絡中通過NOMA協(xié)議,次級發(fā)射節(jié)點作為主網(wǎng)絡中繼,協(xié)助主次信息同時傳輸。推導了在Nakagami-m信道下,主次網(wǎng)絡的中斷性能和系統(tǒng)吞吐量,結果表明基于頻譜共享的覆蓋式認知NOMA網(wǎng)絡能有效提高系統(tǒng)性能。文獻[11]探討了不完美SIC下覆蓋式認知NOMA網(wǎng)絡的中斷性能,并通過考慮發(fā)射端與用戶端直連鏈路,在用戶端采取最大比合并來提高系統(tǒng)性能。文獻[12]研究了多個全雙工次級發(fā)射節(jié)點作為中繼的覆蓋式認知NOMA網(wǎng)絡,并在次級源節(jié)點中采取了能量采集與傳輸技術,從主發(fā)射節(jié)點獲取射頻能量用于通信,在多個中繼端采取部分中繼選擇策略,最終證明了全雙工,SWIPT和NOMA技術能顯著提高覆蓋式認知NOMA網(wǎng)絡的中斷性能。

同時同頻全雙工(Co-frequency Co-time Full Duplex, CCFD)技術,簡稱全雙工(Full Duplex, FD),作為5G備選技術之一,是指在相同的頻率資源,相同的時刻,同時發(fā)送和接收電磁波的技術。全雙工技術具有提高一倍頻譜效率,減少中繼系統(tǒng)中端到端延遲等優(yōu)點,有著廣泛研究意義。但由于全雙工中繼工作在相同的時頻資源,收發(fā)天線之間間隔較近,因此會發(fā)射天線會對接收天線造成強烈的自干擾(Self-Interference,SI)。降低自干擾消除的技術有:數(shù)字干擾消除技術,天線隔離技術和模擬自干擾消除技術。文獻[13]研究了一個存在竊聽者全雙工協(xié)作中繼NOMA系統(tǒng),驗證了全雙工下非理想自干擾因素對系統(tǒng)有較大的影響。文獻[14]研究了一個全雙工放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的下行NOMA系統(tǒng),通過部分中繼選擇策略選取最優(yōu)中繼,結果分析了中繼數(shù)量,用戶功率分配因子以及全雙工自干擾水平對系統(tǒng)影響。文獻[16]研究了在NOMA網(wǎng)絡中遠端用戶結合了全雙工技術來干擾竊聽者,提出了兩階段用戶的協(xié)作方案,推導了各用戶的遍歷安全容量和遍歷容量表達式。為了滿足未來移動通信大規(guī)模連接,高可靠性,低延遲等要求,把全雙工,認知NOMA技術相結合是有一定研究意義的。文獻[17]把NOMA和全雙工技術相結合,應用在滿足大規(guī)模鏈接,不同用戶服務質(zhì)量,高可靠及低延遲(URLLC)的V2X通信場景。

在認知車聯(lián)網(wǎng)場景下,由于頻譜資源有限,如何提高頻譜利用率和用戶間延時問題,值得深入研究。基于上述研究基礎上,本文把認知無線電網(wǎng)絡(cognitive radio network,CRN)與NOMA技術相結合,提出一種基于頻譜共享的認知NOMA網(wǎng)絡模型,(secondary user network,SUN)貢獻全雙工中繼節(jié)點協(xié)助主網(wǎng)絡(primary user network,PUN)通信,從而獲取接入授權頻譜的機會。在海量機器類通信和V2X車聯(lián)網(wǎng)場景下,存在大量潛在的傳感器,人、車通信設備進行信息交互,CR-NOMA網(wǎng)絡可以提供隨機訪問的共享資源。同時與全雙工技術結合,滿足低延時,高可靠性,大規(guī)模連接等要求。由于各通信終端之間可互為中繼,因此引入中繼選擇策略可顯著提高系統(tǒng)性能。本文采用兩階段中繼和部分中繼選擇策略,并推導了在全雙工中繼非理想自干擾消除下系統(tǒng)中斷概率表達式,并進行了仿真驗證。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示,考慮了一個基于頻譜共享的認知NOMA網(wǎng)絡。PUN由一個源節(jié)點PT和一個主用戶PU組成,SUN包括一個次級源節(jié)點ST,N個次級中繼和一個次級用戶。假設源節(jié)點到用戶之間由于距離過遠,不存在直連鏈路。因此,PT需要借助次級中繼實現(xiàn)可靠通信,作為回報,SUN獲取接入授權頻譜的機會,傳輸次級信號。假設所有中繼采取解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和全雙工模式通信,此外,其他節(jié)點均配備單天線以半雙工模式通信。同時假設網(wǎng)絡中所有信道均經(jīng)歷準靜態(tài)瑞利衰落。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

在上行鏈路,PT和ST同時發(fā)送主次信號到N個全雙工次級中繼,由于在網(wǎng)絡中PUN貢獻頻譜,并且為了確保主用戶信息可靠傳輸,因此主用戶具有更高的Q0S,因此主信號具有更高的解碼優(yōu)先級。αi為功率分配因子,α1>α2且α1+α2=1。x1,x2分別為預備發(fā)送到用戶端PU,SU的信號,E(|xi|2)=1,i∈{1,2},發(fā)射功率分別為PT,PS。 全雙工中繼Rn同時接收來自上行鏈路的復合信號和全雙工中繼引起的自干擾信號。在本文假設中繼經(jīng)過自干擾消除技術后仍存在部分殘余自干擾,為了簡化分析假設殘余自干擾為一個常數(shù)IL[9]。因此,中繼Rn接收到的信號為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

γSU→x2=α2ρR|hR2|2

(7)

3 中繼選擇方案與性能分析

3.1 兩階段中繼選擇方案

兩階段中繼選擇方案(Two-Stage Relay Selection Strategies)的目的是確保主用戶PU目標速率實現(xiàn)的同時,以盡可能大的傳輸速率為次級用戶SU服務。這種兩階段中繼選擇策略可描述如下:首先第一階段通過滿足主用戶PU目標速率來構建以下中繼子集:

(8)

其中,R1表示PU目標速率閾值。在第二階段,我們從選取得中繼子集sr中選取最優(yōu)中繼,使傳輸SU的速率最大化,最優(yōu)中繼選擇表示如下:

(9)

Ω=Ω1∪Ω2

(10)

P(Ω1)計算如下:

(11)

定義ξ1=2R1-1,因為所有信道增益均服從指數(shù)分布,由式(2),(5)和(6)經(jīng)過概率論知識和積分運算,得到:

(12)

P(Ω2)計算如下:

(13)

定義xn=min(γR→x2,γSU→x2),xn*=max{xi,?i∈Sr}。

定義中繼子集不為0時的累計分布函數(shù)為F(Λ2),表達式如下:

(14)

(15)

(16)

同理:

(17)

同理,可計算出Δ4的值如下:

(18)

由式(2),(6)推導得到:

(19)

(20)

因此,中繼子集為l的概率可表示為:

(21)

系統(tǒng)的中斷概率為:

(22)

3.2 部分中繼選擇方案

部分中繼選擇策略:(Partial Relay Selection Scheme,PRSS):根據(jù)PT→Rn和ST→Rn鏈路瞬時狀態(tài)信息選擇最佳中繼,選擇策略表示如下:

(23)

(24)

根據(jù)中繼選擇原則,|hPR|2,|hSR|2的概率密度函數(shù)可以表示為:

(25)

(26)

系統(tǒng)的中斷概率可以表示為:

(27)

經(jīng)過積分計算,Pout計算如下:

(28)

4 性能仿真

本文通過采用了全雙工技術和兩種不同的中繼選擇策略,并在中繼Rn,接收端PU,SU采取串行干擾消除技術,推導分析在兩種不同中繼策略下認知NOMA網(wǎng)絡的中斷概率。并對網(wǎng)絡模型在瑞利衰落信道下進行MATLAB仿真驗證。因此對認知NOMA網(wǎng)絡模型參數(shù)設置如下:λSR=λR2=2,λPR=λR1=1,R1=0.8 bit/s,R2=1.5 bit/s,PS=PR=20 dBm,PT=30 dBm,IL=-20 dBm,α1=0.75,通過蒙特卡羅仿真次數(shù)10萬次仿真結果顯示,計算結果與蒙特卡羅仿真結果基本相同。

圖2驗證了中繼數(shù)量對認知NOMA網(wǎng)絡中斷概率的影響。由圖可以看出,當采取部分中繼選擇策略時,系統(tǒng)中斷概率在中繼數(shù)目大于3后不再變化,這意味著部分中繼選擇策略給系統(tǒng)帶來的性能增益有限。而系統(tǒng)采取兩階段中級選擇策略后,系統(tǒng)性能隨著中繼數(shù)目的增加得到顯著提升。并且中繼數(shù)目大于1時,兩階段中繼選擇策略對系統(tǒng)性能的提高都優(yōu)于部分中繼選擇策略,隨著中繼數(shù)目增加,兩種策略性能差異越顯著。

圖2 中繼數(shù)目與系統(tǒng)中斷概率關系Fig.2 System outage probability versus number of relay

圖3顯示了全雙工與半雙工中繼下與系統(tǒng)中斷概率的關系。可以注意到,不管采取哪一種中繼選擇策略,全雙工中繼輔助的認知NOMA網(wǎng)絡性能都優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工中繼輔助的認知NOMA網(wǎng)絡。這是由于全雙工中繼能在相同的頻率資源,相同的時刻,同時收發(fā)信號,因此,顯著提高了系統(tǒng)頻譜效率和中斷性能。

圖3 雙工模式與系統(tǒng)中斷概率關系Fig.3 System outage probability versus duplex mode of relay

圖4給出了當中繼數(shù)目為3時,本文兩種算法和文獻[12]策略下系統(tǒng)中斷概率仿真曲線。由圖可見,三種算法都明顯提高系統(tǒng)的中斷性能。在低信噪比區(qū)域,本文部分中繼選擇策略與文獻[12]策略下性能相當,隨著中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率增大,文獻[12]相比本文策略2,可帶來更明顯的性能增益。而兩階段中繼選擇策略對比另外兩種算法,中斷性能得到了顯著提升。

圖4 本文中繼選擇算法與文獻[12]算法對比Fig.4 Comparison of the relay selection algorithm of this paper and algorithm in literature[12]

圖5顯示了中繼發(fā)射功率與系統(tǒng)中斷概率的關系。由圖5可以看出,兩種中繼選擇策略相比單中繼轉(zhuǎn)發(fā),都體現(xiàn)出了很好的性能增益。并且兩種中繼選擇策略下,系統(tǒng)的中斷性能隨著中繼發(fā)射功率的增大而提高。在兩階段中繼選擇策略中,隨著發(fā)射功率的增加性能提高幅度越大。兩階段中繼選擇策略保證了主用戶實現(xiàn)可靠通信的同時,可以使次級用戶傳輸速率最大化。因此適用于一些對次級用戶速率要求比較高的通信場景,如導航,緊急消息廣播。部分中繼選擇策略需要根據(jù)上行鏈路瞬時狀態(tài)信息來選取最優(yōu)中繼子集。由仿真結果對比兩種中繼選擇策略,當中繼數(shù)目較多時,兩階段中繼選擇策略體現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢,但相應的算法和硬件的復雜度要求更高。而部分中繼選擇策略性能增益有限,但更容易在通信場景中實現(xiàn)。因此,可以通過增加中繼發(fā)射功率和增加中繼數(shù)量可顯著降低系統(tǒng)中斷概率。

圖5 中繼發(fā)射功率與系統(tǒng)中斷概率關系Fig.5 System outage probability versus transmitting power of relay

5 結論

本文討論了在兩種中繼選擇策略下,全雙工和半雙工中繼輔助的認知NOMA網(wǎng)絡,推導了系統(tǒng)中斷概率的閉合解,并通過了仿真驗證。結果表明:1)相比部分中繼選擇策略,兩階段中繼選擇策略能顯著提升系統(tǒng)中斷性能;2)通過增加中繼數(shù)目和提高中繼發(fā)射功率都能提高系統(tǒng)性能;3)系統(tǒng)通過采用全雙工中繼技術能有效提高系統(tǒng)頻譜效率和中斷性能。