《电子技术应用》

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 作者:石兰洁1,陈海华1,2
2017/11/13 11:44:00

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。

    关键词: 5G;非正交多址接入技术;迫零算法;用户选择

    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.

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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