網(wǎng)絡(luò)編碼多址接入下行鏈路系統(tǒng)中的功率多樣化多用戶框架

何敏 程旗 汪小林

四川九洲電器集團(tuán)有限責(zé)任公司 四川 綿陽 621000

1 介紹

為了應(yīng)對日益增長的無線容量需求，提出了非正交多址接入?yún)f(xié)議（NOMA），并將其視為第五代（5G）無線網(wǎng)絡(luò)中很有前景的頻譜高效利用的方法之一[1-2]。典型的NOMA技術(shù)允許多用戶以不同的功率共享同一資源塊從而提高通信系統(tǒng)的頻譜效率。為了進(jìn)一步提高吞吐量性能，提出了一種新的NOMA架構(gòu)，稱為網(wǎng)絡(luò)編碼多址（NCMA）[3]。與利用連續(xù)干擾消除（SIC）的傳統(tǒng)NOMA不同，NCMA將物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（PNC）與多用戶解碼（MUD）結(jié)合起來執(zhí)行并行解碼[4]。傳統(tǒng)的NCMA方案只考慮了低階調(diào)制，只能用于上行場景，限制了NCMA的部署。之后，相關(guān)學(xué)者又提出了一種增強(qiáng)的符號(hào)級(jí)解碼器[5]，它保留了比特之間形成的相互關(guān)系，將 NCMA 推廣到高階調(diào)制。

為了提高遠(yuǎn)程用戶的通信性能，提出了一種基于NCMA的協(xié)調(diào)直接中繼傳輸（CDRT）方法。盡管許多研究人員將注意力集中在 NCMA 上，但以下問題仍未得到很好的解決：①下行NCMA研究不足，與研究充分的上行 NCMA 系統(tǒng)相比，只有少數(shù)文章專注于下行場景，尤其是多用戶下行NCMA；②非通用多用戶設(shè)計(jì)，現(xiàn)有的多用戶NCMA方法需要針對不同的用戶數(shù)制定相應(yīng)的PNC解碼規(guī)則，不利于多用戶系統(tǒng)；③以用戶為中心的設(shè)計(jì)：為了在沒有頻道信息的情況下實(shí)現(xiàn)用戶平等，在之前的 NCMA 研究中采用了典型的以用戶為中心的方法（功率平衡設(shè)計(jì)）。然而，在實(shí)踐中，由于潛在的內(nèi)容多樣性，消息可能具有不同的優(yōu)先級(jí)。以用戶為中心的方法可能無法實(shí)現(xiàn)最大的吞吐量性能。

在本文中，我們在NCMA下行鏈路中提出了一種功率多樣化的多用戶架構(gòu)，稱為PD-NCMA。更準(zhǔn)確地說，我們考慮具有兩個(gè)階段的以內(nèi)容為中心的動(dòng)態(tài)多用戶框架。 在第一階段，根據(jù)內(nèi)容級(jí)別對用戶進(jìn)行成對動(dòng)態(tài)分組。（第一階段動(dòng)態(tài)聚類的考慮是雙重的。第一方面是以內(nèi)容為中心的設(shè)計(jì)可以利用實(shí)際案例中潛在的內(nèi)容多樣性。此外，每個(gè)組中的用戶都可以直接使用傳統(tǒng)的NCMA接收方案而無須特定修改。）與傳統(tǒng)的功率平衡 NCMA (PB NCMA)和基于相位旋轉(zhuǎn)的 NCMA（PRNCMA）不同，第二階段采用功率分集設(shè)計(jì)，因?yàn)樗@著提高了 MUD 性能，即對提高吞吐量至關(guān)重要。

2 多用戶NCMA下行鏈路系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)模型

考慮圖1中由M個(gè)用戶和1個(gè)基站（BS)組成的下行鏈路系統(tǒng)。M個(gè)用戶設(shè)備被設(shè)計(jì)成集群。每個(gè)集群包含兩個(gè)或一個(gè)用戶，而每個(gè)設(shè)備只能在一個(gè)集群中。因此，，其中是一個(gè)ceil運(yùn)算符。假設(shè)基站的總功率預(yù)算是，且簇間功率相等。因此，集群i的功率滿足。此外，頻率塊被分集正交地占據(jù)。因此，分集間的影響可以忽略不計(jì)，可以在任何分集中采用傳統(tǒng)的NCMA（或提出的PD-NCMA）方法。

圖1 多用戶NCMA下行鏈路結(jié)構(gòu)

2.2 PD-NCMA的信息處理

在不損失通用性的前提下，選擇一個(gè)隨機(jī)分集i（i=1,2,...）來描述PD-NCMA方案。兩個(gè)不同的用戶設(shè)備分別由A和B表示。

一個(gè)完整的PD-NCMA下行鏈路傳播包括PHY層和MAC層處理。在集群i中用表示用戶的MAC層的大消息。假設(shè)在MAC層考慮Reed-Solomon(RS)Code，將消息編碼為多個(gè)包，其中，然后進(jìn)一步對進(jìn)行信道編碼為，并在物理層調(diào)制成。兩個(gè)用戶設(shè)備采用相同的調(diào)制階數(shù)，采用相同的卷積碼作為PHY層信道碼。與傳統(tǒng)的NCMA算法不同，提出的PD-NCMA算法在沒有信道信息的情況下對兩個(gè)用戶的底層信號(hào)分配不同的功率。在分集i中用表示分配給用戶s的功率。的疊加信號(hào)可以表示為：

在集群i中用戶s的接收端接收到的信號(hào)為：

3 PD-NCMA中的動(dòng)態(tài)聚類和功率分配設(shè)計(jì)

在本節(jié)中，我們提出了PD-NCMA下行鏈路中的兩階段動(dòng)態(tài)框架。

3.1 以內(nèi)容為中心的聚類

在傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)中，信道條件較好的設(shè)備將分配較少的功率。這種以用戶為中心的設(shè)計(jì)的主要目的是最大化總和速率。因此，它要求一個(gè)集群中的用戶設(shè)備的信道條件有足夠的不同。與NOMA系統(tǒng)不同，我們在PD-NCMA 中考慮以內(nèi)容為中心的設(shè)計(jì)。功率分配將根據(jù)消息優(yōu)先級(jí)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整。此外，我們會(huì)為具有較高消息優(yōu)先級(jí)的用戶分配更多的權(quán)力，以確保他們的通信性能。換句話說，每個(gè)集群中的消息級(jí)別差異需要足夠大。

由于正在傳輸?shù)膬?nèi)容的潛在多樣性，我們按照優(yōu)先級(jí)（級(jí)別）的降序?qū)λ蠳用戶設(shè)備的消息進(jìn)行排序。用r1≥r2≥…≥rM表示排序后的結(jié)果，其中rm=M-m+1,m=1,2,…,M表示消息級(jí)別。（即，r1=M是最高消息優(yōu)先級(jí)，rM=1是最低消息優(yōu)先級(jí)。）為了將更多的權(quán)力分配給高優(yōu)先級(jí)的消息，我們提出了一種微分聚類方法。

方法1：考慮了兩種情況，如果M是偶數(shù)，首先對用戶進(jìn)行排序，分為2組：{r1,r2,...,rM/2}和{rM/2+1,rM/2+2,...,rM}。然后具有消息優(yōu)先級(jí)ri的用戶設(shè)備形成具有rM/2+i,i=1,2,...,M/2的集群（即消息優(yōu)先級(jí)為r1的用戶設(shè)備以rM/2+1形成一個(gè)簇。）如果M為奇數(shù)，則首先將用戶排序并分為2組：{r1,r2,...,r(M-1)/2}和{r(M+3}/2,r(M+5)/2,...,rM}。然后具有消息優(yōu)先級(jí)rm的用戶設(shè)備形成一個(gè)集群，具有r(M+1+2m)/2,m=1,2,...,(M-1)/2。優(yōu)先級(jí)為r(M+1)/2的設(shè)備構(gòu)成一個(gè)單用戶集群。

3.2 動(dòng)態(tài)功率分配

考慮集群i中的功率分配問題，我們假設(shè)消息優(yōu)先級(jí)較高的用戶是A，另一個(gè)是B。A和B的消息優(yōu)先級(jí)可以分別表示為riA和riB。

由于每個(gè)組內(nèi)的用戶具有不同的消息優(yōu)先級(jí)，我們提出了一種基于優(yōu)先級(jí)的動(dòng)態(tài)功率分配策略。每個(gè)集群中的高優(yōu)先級(jí)用戶將被分配更多的權(quán)力，如下所示：

其中：s∈{A, B}, i= 1, 2, ..., N, Pi表示集群i的總功率。不失一般性，如果用戶形成單個(gè)用戶集群，則該用戶將被分配一個(gè)集群的總功率。

3.3 復(fù)雜性分析

計(jì)算復(fù)雜度來自兩部分。在設(shè)備聚類部分，采用快速排序算法對用戶進(jìn)行排序，對應(yīng)的計(jì)算復(fù)雜度O（Mlog2M）。對于動(dòng)態(tài)功率分配，計(jì)算復(fù)雜度主要由（3）式?jīng)Q定，即少量的乘法和加法。與設(shè)備聚類部分相比，功率分配帶來的計(jì)算復(fù)雜度可以忽略不計(jì)。因此算法的計(jì)算復(fù)雜度由快速排序O(Mlog2M) 決定，其中M表示用戶總數(shù)。顯然，所提出的方法具有較低的計(jì)算復(fù)雜度。

4 仿真結(jié)果

在下面的實(shí)驗(yàn)中，我們說明了在PD-NCMA下行鏈路中提出的兩階段動(dòng)態(tài)框架的數(shù)值結(jié)果。我們還將PD-NCMA與傳統(tǒng)的PB-NCMA和PR-NCMA進(jìn)行了比較。我們采用PD-NCMA來表示所提出的設(shè)計(jì)。類似地，引入PR-NCMA來表示相位旋轉(zhuǎn)為45°的PR-NCMA方案。

我們考慮在瑞利信道中有7個(gè)用戶的NCMA下行鏈路系統(tǒng)。所有用戶設(shè)備共享相同的RS碼參數(shù)L=9。此外，所有用戶均采用[133,171]8卷積碼。集群之間的權(quán)力是平等的。所有結(jié)果都是6000次蒙特卡羅模擬的平均值。對于MUD解碼器的BER性能，每次模擬都是來自所有集群的用戶A（或B）的平均值。 由于PNC解碼器對XOR數(shù)據(jù)包進(jìn)行解碼，因此PNC解碼器的每次模擬都是來自所有集群的用戶A和B的平均值。每個(gè)模擬中NCMA系統(tǒng)的總吞吐量定義為

其中LA（LB）是用戶A（或B）恢復(fù)一個(gè)MAC層消息的理論小包數(shù)。因此LA（LB）等于RS碼參數(shù)L=8。NA（NB）表示用戶A（或B）的MAC層消息的總數(shù)。SA（SB）表示用戶A（或B）恢復(fù)所有MAC層消息的實(shí)際小包總數(shù)。

首先，讓我們關(guān)注集群中高優(yōu)先級(jí)用戶的MUD性能。PDNCMA和PR-NCMA的性能明顯優(yōu)于PB-NCMA。由于用戶A和B的相同星座點(diǎn)的疊加嚴(yán)重影響了MUD檢測器，因此傳統(tǒng)的PBNCMA幾乎無法工作。PR-NCMA通過人為引入相位旋轉(zhuǎn)，緩解星座點(diǎn)疊加，有效提升MUD性能。此外，提出的以內(nèi)容為中心的PD-NCMA采用了差異化的功率配置。具有高優(yōu)先級(jí)的消息用戶被分配更多的功率來提高M(jìn)UD性能。很明顯，PD-NCMA優(yōu)于其他算法，這也表明以內(nèi)容為中心的設(shè)計(jì)顯著提高了性能。

PD-NCMA和PR-NCMA的PNC性能都顯示出退化，因?yàn)椴煌琗OR 星座的最小距離減小了。然而，由于MUD的巨大改進(jìn)，PNC解碼器的性能下降對整體性能的影響可以忽略不計(jì)。這也可以在吞吐量仿真中得到驗(yàn)證。

PD-NCMA的整體吞吐量性能遠(yuǎn)高于PB-NCMA和PRNCMA，尤其是在中低SNR范圍內(nèi)?？傮w而言，PD-NCMA可以顯著提高吞吐量。

5 結(jié)束語

在本文中，我們提出了NCMA下行鏈路系統(tǒng)中的多用戶架構(gòu)，并提出了一種基于內(nèi)容的PD-NCMA方法。我們第一次利用潛在的內(nèi)容多樣性來執(zhí)行用戶聚類并在NCMA中分配功率。仿真結(jié)果表明，所提出的以內(nèi)容為中心的設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)的 PRNCMA和PB-NCMA 相比具有良好的性能。