《电子技术应用》
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非正交多址接入系统中关于迫零波束的用户配对
2017年电子技术应用第10期
石兰洁1,陈海华1,2
1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津300350
摘要: 为了满足人们对移动通信越来越多的要求,第五代通信系统(5G)的研究日益受到人们的重视。为了增加系统的容量,非正交多址接入(NOMA)技术作为一种新的多址接入技术很有可能运用到5G中。由于接收端运用串行干扰消除技术,可以将多个信号结合在一起传送。因此将NOMA与多输入多输出技术结合在一起,采用迫零算法设计波束。每个波束可以有多个用户,主要讨论用户的配对选择问题。为了提高系统的效果,利用迫零算法波束的特点,提出了用户的配对选择算法。仿真结果证明,该算法有很好的效果。
中图分类号: TN929.5
文献标识码: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.170321
中文引用格式: 石兰洁,陈海华. 非正交多址接入系统中关于迫零波束的用户配对[J].电子技术应用,2017,43(10):116-118,123.
英文引用格式: Shi Lanjie,Chen Haihua. User pairing for non-orthogonal multiple access systems with zero-forcing beamforming[J].Application of Electronic Technique,2017,43(10):116-118,123.
User pairing for non-orthogonal multiple access systems with zero-forcing beamforming
Shi Lanjie1,Chen Haihua1,2
1.College of Electronic Information and Optical Engineering,Nankai University,Tianjin 300350,China; 2.Tianjin Key Laboratory of Optoelectronic Sensor and Sensing Network Technology,Tianjin 300350,China
Abstract: In order to meet the increasing requirements of mobile communication, the research of fifth generation(5G) communication system attracts people′s attention. In order to increase the system capacity, the Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA) as a new multiple access technology is likely to be used in 5G. Using the Successive Interference Cancellation(SIC) technology in the receiver, multiple signals can be superposed together. This paper combines NOMA with the Multiple Input Multiple Output(MIMO) technology together which uses the zero-forcing beamforming. Each beam can have multiple users, and this paper discusses the user′s pairing. To improve the performance of the system, the user pairing algorithm considering the characteristics of the zero-forcing beamforming is proposed. Simulation results show that the algorithm has a good performance.
Key words : fifth generation;NOMA;zero-forcing beamforming; user pairing

0 引言

    由于通信设备的增多,人们对通信的要求越来越高,尤其是容量、速率、延时这些方面。下一代通信标准(5G)正在被科研工作者广泛研究[1-2]。非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术作为新的多址接入方案可能运用到5G中。与现在已运用的时分多址(TDMA)、频分多址(FDMA)、正交频分复用技术(OFDMA)相比,NOMA是在时域和频域之外的能量域对资源进行分割[3-6]。NOMA允许干扰出现,接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术将干扰消除,因此一个子信道从服务一个用户可以变成服务多个用户。

    为了更好地研究NOMA的效果,将NOMA运用到多输入多输出(Multiple-Input-Multiple-Output,MIMO)系统中[7-8]。可以将用户分成多个组合(pair),不同pair间的干扰用波束形成技术(beamforming)消除。文献[8]中讲述了如何获取和挑选pair。但是文章中pair的选择比较简单,仅仅考虑信道的大小,没有考虑beamforming的影响和系统整体的效果。本文设计了一个更全面的pair的选择方法。

1 系统模型

    如图1所示,本文设计一个NOMA和MIMO结合的单小区系统。MIMO中的波束形成技术使用迫零算法(zero-forcing beamforming)来设计。与传统zero-forcing beamforming相比,本系统中的每个beam可以服务多个用户,这里为了使得接收端设计简单,假设每个beam最多服务2个用户。

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    假设系统中有一个基站,天线数为N,一共有K个单天线的用户。为了增加服务的用户数,将多个用户组合在一起,接收机可以利用SIC技术将这些用户的信号分开,这个组合称作NOMA pair。本系统采用zero-forcing beamforming设计,因此最多有N个beam。所以,系统最多服务N的NOMA pair。假设每个pair中最多有两个用户。因为一个NOMA pair中最多有两个用户,定义信道增益大的用户为强用户(strong user),信道增益小的用户为弱用户(weak user)。

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2 系统设计

    系统主要是从两个方面设计:波束形成设计和用户的配对。这些设计是为了让系统的加权速率和在计算简单的情况下尽量大。

2.1 波束形成设计

    波束的设计如果考虑最佳的话是一个非常复杂的问题,因为不同用户的波束间有交叉。为了计算简便,也为了系统效果好,采用zero-forcing beamforming的设计。计算的信道是把用户中的strong user合在一起计算的,如式(9)、式(10)所示。

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2.2 SIC条件

    因为strong user是先解出weak user的信号然后再去掉,所以strong解出的速率应大于weak user的信号传送的速率。因此有:

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2.3 用户的配对

    本文选择用户的目的是使得系统的加权速率和最大,因此问题写成:

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3 仿真

    假设一共有K=20个用户,天线数为N=4,噪声能量σ2=1,信道为(0,1)瑞利衰落信道。图2是权重都是1时的加权速率和。图3是权重是随机一种权重的加权速率和。三角形标记的实线是本文提出的方法,星形标记的虚线是文献[8]中的方法。由图2和图3可以看出,当用户的能量P增加时,加权速率和也增加。本文的方法的加权速率和明显大于文献[8]的方法。由此可以看出本文的方法是比较好的,因为本文的方法在设计中考虑到了波束的影响。

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4 结论

    本文设计了在zero-forcing beamforming的情况下,NOMA 配对的设计和选择情况。由于设计时考虑到了zero-forcing beamforming的特性,计算用有效信道增益,使得计算的效果得到了很大的提高。与原有方法相比,在计算量增加不大的情况下,效果得到了很大的提高,这也在仿真中得到了证明。

参考文献

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[6] 许方敏,仇超,赵成林.业务需求推动下的5G若干关键技术探讨[J].电子技术应用,2016,42(7):5-7.

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[8] KIM B,LIM S,KIM H,et al.Non-orthogonal multiple access in a downlink multiuser beamforming system[C].MILCOM 2013,IEEE,2013:1278-1283.



作者信息:

石兰洁1,陈海华1,2

(1.南开大学 电子信息与光学工程学院,天津300350;2.天津市光电传感器与传感网络技术重点实验室,天津300350)