文獻(xiàn)標(biāo)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.
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(biāo)準(zhǔn)(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(yùn)用到5G中。與現(xiàn)在已運(yùn)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(jìn)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(yùn)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(xiàn)[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。
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(jī)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(qiáng)用戶(strong user),信道增益小的用戶為弱用戶(weak user)。
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。
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:
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:
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(jī)一種權(quán)重的加權(quán)速率和。三角形標(biāo)記的實線是本文提出的方法,星形標(biāo)記的虛線是文獻(xiàn)[8]中的方法。由圖2和圖3可以看出,當(dāng)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(xiàn)[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。
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。
參考文獻(xiàn)
[1] BOCCARDI F,HEATH R W,LOZANO A,et al.Five disruptive technology directions for 5G[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(2):74-80.
[2] WANG C X,HAIDER F,GAO X,et al.Cellular architecture and key technologies for 5G wireless communication networks[J].IEEE Communications Magazine,2014,52(2):122-130.
[3] SAITO Y,KISHIYAMA Y,BENJEBBOUR A,et al.Non-orthogonal multiple access(NOMA) for cellular future radio access[C].Vehicular Technology Conference(VTC Spring),2013 IEEE 77th.IEEE,2013:1-5.
[4] SAITO Y,BENJEBBOUR A,KISHIYAMA Y,et al.System-level performance evaluation of downlink non-orthogonal multiple access(NOMA)[C].PIMRC,2013:611-615.
[5] BENJEBBOUR A,SAITO Y,KISHIYAMA Y,et al.Concept and practical considerations of non-orthogonal multiple access(NOMA) for future radio access[C].Intelligent Signal Processing and Communications Systems(ISPACS),2013 International Symposium On.IEEE,2013:770-774.
[6] 許方敏,仇超,趙成林.業(yè)務(wù)需求推動下的5G若干關(guān)鍵技術(shù)探討[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(7):5-7.
[7] HIGUCHI K,KISHIYAMA Y.Non-orthogonal access with random beamforming and intra-beam SIC for cellular MIMO downlink[C].Vehicular Technology Conference(VTC Fall),2013 IEEE 78th.IEEE,2013:1-5.
[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:
石蘭潔1,陳海華1,2
(1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)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(diǎn)實驗室,天津300350)