《電子技術(shù)應(yīng)用》
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非正交多址接入系統(tǒng)中關(guān)于迫零波束的用戶配對
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第10期
石蘭潔1，陳海華1，2
1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室，天津300350
摘要： 為了滿足人們對移動通信越來越多的要求，第五代通信系統(tǒng)（5G）的研究日益受到人們的重視。為了增加系統(tǒng)的容量，非正交多址接入（NOMA）技術(shù)作為一種新的多址接入技術(shù)很有可能運用到5G中。由于接收端運用串行干擾消除技術(shù)，可以將多個信號結(jié)合在一起傳送。因此將NOMA與多輸入多輸出技術(shù)結(jié)合在一起，采用迫零算法設(shè)計波束。每個波束可以有多個用戶，主要討論用戶的配對選擇問題。為了提高系統(tǒng)的效果，利用迫零算法波束的特點，提出了用戶的配對選擇算法。仿真結(jié)果證明，該算法有很好的效果。
中圖分類號： TN929.5
文獻標識碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.170321
中文引用格式： 石蘭潔，陳海華. 非正交多址接入系統(tǒng)中關(guān)于迫零波束的用戶配對[J].電子技術(shù)應(yīng)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

    由于通信設(shè)備的增多，人們對通信的要求越來越高，尤其是容量、速率、延時這些方面。下一代通信標準（5G）正在被科研工作者廣泛研究[1-2]。非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)作為新的多址接入方案可能運用到5G中。與現(xiàn)在已運用的時分多址（TDMA）、頻分多址(FDMA)、正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDMA)相比，NOMA是在時域和頻域之外的能量域?qū)Y源進行分割[3-6]。NOMA允許干擾出現(xiàn)，接收端采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技術(shù)將干擾消除，因此一個子信道從服務(wù)一個用戶可以變成服務(wù)多個用戶。

    為了更好地研究NOMA的效果，將NOMA運用到多輸入多輸出（Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)中[7-8]?？梢詫⒂脩舴殖啥鄠€組合（pair），不同pair間的干擾用波束形成技術(shù)（beamforming）消除。文獻[8]中講述了如何獲取和挑選pair。但是文章中pair的選擇比較簡單，僅僅考慮信道的大小，沒有考慮beamforming的影響和系統(tǒng)整體的效果。本文設(shè)計了一個更全面的pair的選擇方法。

1 系統(tǒng)模型

    如圖1所示，本文設(shè)計一個NOMA和MIMO結(jié)合的單小區(qū)系統(tǒng)。MIMO中的波束形成技術(shù)使用迫零算法（zero-forcing beamforming）來設(shè)計。與傳統(tǒng)zero-forcing beamforming相比，本系統(tǒng)中的每個beam可以服務(wù)多個用戶，這里為了使得接收端設(shè)計簡單，假設(shè)每個beam最多服務(wù)2個用戶。

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    假設(shè)系統(tǒng)中有一個基站，天線數(shù)為N，一共有K個單天線的用戶。為了增加服務(wù)的用戶數(shù)，將多個用戶組合在一起，接收機可以利用SIC技術(shù)將這些用戶的信號分開，這個組合稱作NOMA pair。本系統(tǒng)采用zero-forcing beamforming設(shè)計，因此最多有N個beam。所以，系統(tǒng)最多服務(wù)N的NOMA pair。假設(shè)每個pair中最多有兩個用戶。因為一個NOMA pair中最多有兩個用戶，定義信道增益大的用戶為強用戶（strong user），信道增益小的用戶為弱用戶（weak user）。

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2 系統(tǒng)設(shè)計

    系統(tǒng)主要是從兩個方面設(shè)計：波束形成設(shè)計和用戶的配對。這些設(shè)計是為了讓系統(tǒng)的加權(quán)速率和在計算簡單的情況下盡量大。

2.1 波束形成設(shè)計

    波束的設(shè)計如果考慮最佳的話是一個非常復(fù)雜的問題，因為不同用戶的波束間有交叉。為了計算簡便，也為了系統(tǒng)效果好，采用zero-forcing beamforming的設(shè)計。計算的信道是把用戶中的strong user合在一起計算的，如式(9)、式(10)所示。

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2.2 SIC條件

    因為strong user是先解出weak user的信號然后再去掉，所以strong解出的速率應(yīng)大于weak user的信號傳送的速率。因此有：

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    tx7-2.3-s1.gif

2.3 用戶的配對

    本文選擇用戶的目的是使得系統(tǒng)的加權(quán)速率和最大，因此問題寫成：

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3 仿真

    假設(shè)一共有K=20個用戶，天線數(shù)為N=4，噪聲能量σ2=1，信道為(0，1)瑞利衰落信道。圖2是權(quán)重都是1時的加權(quán)速率和。圖3是權(quán)重是隨機一種權(quán)重的加權(quán)速率和。三角形標記的實線是本文提出的方法，星形標記的虛線是文獻[8]中的方法。由圖2和圖3可以看出，當用戶的能量P增加時，加權(quán)速率和也增加。本文的方法的加權(quán)速率和明顯大于文獻[8]的方法。由此可以看出本文的方法是比較好的，因為本文的方法在設(shè)計中考慮到了波束的影響。

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4 結(jié)論

    本文設(shè)計了在zero-forcing beamforming的情況下，NOMA 配對的設(shè)計和選擇情況。由于設(shè)計時考慮到了zero-forcing beamforming的特性，計算用有效信道增益，使得計算的效果得到了很大的提高。與原有方法相比，在計算量增加不大的情況下，效果得到了很大的提高，這也在仿真中得到了證明。

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作者信息：

石蘭潔1，陳海華1，2

（1.南開大學 電子信息與光學工程學院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點實驗室，天津300350）

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