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。
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)。
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。
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:
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:
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。
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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[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)