認知協作網絡中非正交多址接入技術性能研究

李美玲，李瑩，SAMI Muhaidat，董增壽，王安紅，梁杰，丁麗萍

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認知協作網絡中非正交多址接入技術性能研究

李美玲1，李瑩1，SAMI Muhaidat2，董增壽1，王安紅1，梁杰1，丁麗萍3

（1.太原科技大學電子信息工程學院, 山西 太原 030024；2.英國薩里大學，薩里 GU27XH; 3.中國科學院軟件研究所，北京 100190）

將NOMA技術應用于下行認知中繼協作網絡，提出基于AF的認知多用戶中繼協作NOMA系統（CM-RC-NOMA），給出了不同認知中繼協作方案下PU和SU中斷性能，并推導了其閉合表達式；同時將AF中繼協作方式與DF中繼協作方式進行了對比。仿真結果表明，當SU到PU信道鏈路條件不差于BS到PU信道鏈路條件時，AF方式相比DF方式可以使PU獲得更低的中斷概率；另一方面，所提最佳認知中繼協作方案相比傳統最佳認知中繼協作方案可以獲得更佳的PU中斷性能。

認知協作網絡；非正交多址接入；最佳中繼；中斷概率

1 引言

非正交多址接入 (NOMA, non-orthogonal multiple access) 技術通過為不同的用戶信號分配不同的功率，從而實現在相同的頻帶上同時為多個用戶提供服務，與傳統正交多址接入技術(OMA, orthogonal multiple access)相比，可大大提高頻譜利用率[1-2]。研究表明NOMA相比OMA方案可以有效提高頻譜利用率[3-5]。

在無線網絡中，信道的多徑傳播、陰影衰落和路徑損耗等特性將會嚴重影響到系統性能。而協作通信技術可以有效抵抗無線信道衰落，提高傳輸可靠性[6-8]。關于協作傳輸在NOMA系統(C-NOMA) 中的應用正在業界廣泛研究。文獻[9]基于NOMA系統，考慮一個基站通過單個放大轉發(AF,amplify and forward)中繼與多個移動端同時通信，對系統中斷概率性能進行了分析。文獻[10]則考慮基于NOMA的蜂窩網絡，分析了單個中繼采用解碼轉發(DF,decode and forward)時全雙工協作NOMA系統的中斷性能。文獻[11]進一步考慮NOMA系統存在2個用戶和一個中繼的場景，并分析了全雙工中繼模式下用戶的中斷性能。文獻[12]將 NOMA 應用于具有多播業務和單播業務的多用戶網絡，設計了一種可以在確保多播業務可靠性的同時提高單播業務性能的賦形方案及功率分配方法。

認知無線電技術可以為多用戶提供開放的頻譜資源提高頻譜效率，因此，將認知無線電中的頻譜共享策略與NOMA技術結合可以進一步提高頻譜利用率。通過將NOMA引入到認知系統，可以提高SU的接入機會以及系統吞吐量。在傳統OMA系統中，即使主用戶(PU, primary user)的信道條件較差，次用戶 (SU, secondary user)也無法接入授權頻譜，從而導致資源的空閑，降低系統吞吐量。利用NOMA技術，基站可以同時為PU和SU提供服務，而不會引起PU性能明顯降低，從而有效提高頻譜利用率。NOMA系統與OMA系統中用戶性能分析的不同，關鍵在于基站對多個用戶信號的功率分配和終端所使用的SIC技術帶來的性能提升。在文獻[13]中，作者研究了NOMA技術應用于認知網絡時的系統性能，結果表明基于NOMA的認知網絡系統性能明顯優于傳統基于OMA的認知網絡系統性能。文獻[14]則研究了利用NOMA技術實現認知無線網絡中認知用戶的頻譜共享。文獻[15]首次提出，SU利用連續干擾刪除(SIC, successive interference cancellation) 技術來避免同信道干擾從而得到期望信號，將接收到的基站消息發送給PU從而提高認知NOMA系統性能，文中考慮SU采用DF方式轉發數據。在中繼轉發協議方式中，DF協議可以避免噪聲前傳，適合于源節點—中繼節點信道質量較好的環境，但是操作方式相對復雜，而且一定存在解碼轉發延時。而AF方式操作簡單，同時中繼也會將噪聲放大化轉發到目的節點。但是在NOMA系統中，由于SU和PU均采用SIC技術消除干擾，PU可獲得的信號干擾噪聲比與傳統OMA系統有所不同，因此基于AF的認知中繼協作NOMA系統性能值得深入研究。

本文考慮一個下行認知多用戶中繼協作NOMA (CM-RC-NOMA, cognitive multiuser relay cooperation based NOMA)系統，如圖1所示，基站發送2個不同消息的復合信號，分別給一個單播PU和一組多播業務的SU，其中，SU將作為認知中繼以AF方式輔助PU傳輸數據。基于所考慮CM-RC-NOMA系統提出基于AF的多認知中繼協作方案和最佳認知中繼協作方案，推導了各種方案下CM-RC-NOMA系統PU中斷概率和SU中斷概率；分析了認知用戶數對系統性能的影響情況。結果表明，當SU到PU信道鏈路條件不差于BS到PU信道鏈路條件時，AF方式相比DF方式可以使PU獲得更低的中斷概率；另一方面，所提最佳認知中繼協作方案相比傳統最佳認知中繼協作方案可以使PU中斷概率更低。

圖1 CM-RC-NOMA系統模型

2 系統模型

因此，結合式 (2)，在第2個時隙，PU接收到的來自第個SU的信號可以表示為

而當SU采用DF方式轉發信號時，PU接收到的信號可表示為

在認知中繼網絡中，次網絡可以選擇全部SU轉發原始NOMA信號，也可以選擇其中一個SU來轉發，由于PU會利用SIC技術來應對干擾從而對接收到的信號進行解碼，因此，在單認知中繼協作NOMA系統中，認知中繼的選擇對于PU性能的影響情況如何值得深入研究。后面的仿真結果也表明，本文給出的基于PU的的最佳中繼選擇方案，相比傳統僅考慮信道條件的最佳中繼選擇方案，可以降低PU中斷性能，提高PU傳輸可靠性。

下面，對如圖1所示的模型分別對SU中斷性能和基于多用戶認知中繼協作NOMA（MCR-C-NOMA，multi-user cognitive relay based C-NOMA）方案和單用戶認知中繼協作NOMA（SCR-C-NOMA，single-user cognitive relay based C-NOMA）方案下PU中斷性能進行分析，其中，在SCR-C-NOMA情況下，本文討論3種最佳認知中繼協作方式：基于SU的最大化的最佳認知中繼C-NOMA （SU-S-BCR-C-NOMA，SU-S based best cognitive relay C-NOMA）方案、基于PU的SINR最大化的最佳認知中繼C-NOMA（PU-S-BCR-C-NOMA，PU-S based best cognitive relay C-NOMA）方案和聯合考慮SU和PU SINR最大化的最佳認知中繼C-NOMA （C-SU-PU -BCR-C-NOMA, C-SU-PU based best cognitive relay C-NOMA）方案。

3 SU中斷性能分析

因此可以得到，式(6)可分別計算為

(8)

此時，結合式(6)可以得到

4 MCR-C-NOMA PU中斷性能

在MCR方案中，網絡中的所有SU都會接收到BS信號并采用AF方式轉發給PU。因此，PU將接收到第一時隙來自BS的復合信號和第2時隙來自個SU轉發的信號。PU可以采用最大比合并（MRC，maximum ratio combining）、等增益合并（EGC，equal gain combining）和選擇式合并（SC，selective combining）等分集合并技術來處理接收到的多路信號，其中，SC合并方式實現復雜度低，方法簡單，而且本文的主要目的在于衡量基于AF的認知中繼協作NOMA系統的性能。所以，本文考慮PU采用SC方式合并來自BS的信號和路SU的信號。

結合式(16)和式(17)可以寫為

因此，對于式(18)，結合式(13)，可以得到

將式(19)和式(21)代入式(18)即可得到MCR方案下采用AF中繼轉發方式下PU中斷概率。

5 SCR-C-NOMA PU中斷性能

因此，可以得到最佳SCR方案PU中斷概率可以表示為

對于式(23)，等號后面第一項與認知中繼的選擇無關，而第二項根據式(14)，可以得到

根據式(24)，可以看到，PU中斷概率主要取決于所選擇的認知中繼，其決定了它與BS和PU的信道條件。下面分別討論SU-S-BCR、PU-S-BCR和C-SU-PU-BCR這3種最佳認知中繼協作NOMA方案下PU中斷概率。

1) SU-S-BCR方案

根據式(2)，可以得到式(25)可退化為傳統OMA系統基于源鏈路信道條件最大化的最佳認知中繼選擇方案(S-BCR, source based best cognitive relay)。

因此，當采用SU-S-BCR方案轉發PU信號時，根據式(24)，PU的中斷概率最終可計算如式(27)所示。

2) PU-S-BCR方案

因此，經推導，當采用PU-S-BCR方案轉發PU信號時，PU的中斷概率為

3) C-SU-PU-BCR方案

經推導，當采用C-SU-PU-BCR方案轉發PU信號時，PU的中斷概率為

需要說明的是，對于式(27)、式(29)和式(31)很難得到精確的計算表達式，但是本文已經給出了簡單的求和表達式，很容易借助計算機仿真輔助得到其結果。

4) DF中繼方式時PU中斷性能

在仿真中，本文對比了AF中繼方式和DF中繼方式對認知NOMA系統性能影響情況。本節給出仿真中SU采用DF中繼轉發方式時，PU中斷概率的計算。根據文獻[15]，PU中斷概率為

而根據式(15)可得

結合式(32)~式(36)可以得到本文參考的SU采用DF中繼方式時PU的中斷概率。

6 仿真結果

本節對比了認知NOMA系統AF方案和DF方案對于PU中斷性能的影響情況。另一方面，在認知NOMA系統中，PU收到的是包含自身所需信號和SU信號的復合信號，需利用SIC技術將SU信號視為干擾信號而提取PU信號，因此接收到的信號干擾噪聲比不僅取決于其信道鏈路條件，還與認知中繼的選擇有關，本文分別對比了MCR-C-NOMA、SU-S-BCR-C-NOMA、PU-S-BCR- C-NOMA和C-SU-PU-BCR-C-NOMA以及最佳單認知中繼方案下PU中斷性能，并與采用傳統OMA系統最佳中繼選擇方案時的C-NOMA系統進行了性能對比，即S-BCR-C-NOMA、D-BCR-C-NOMA和Max-Min-BCR-C-NOMA。

而對于SU而言，由于本文不考慮SU網絡內部的轉發，因此其中斷性能與認知中繼轉發方式無關，而僅與BS到SU鏈路條件有關，由圖2(b)可以看出，BS到SU鏈路條件越好，SU中斷概率越低。

圖2 中斷概率隨發射信噪比的變化情況

圖3 PU中斷概率隨發射信噪比的變化情況

圖4 不同認知中繼協作方案下的PU 中斷性能

圖5 所提方案與傳統方案對比

圖6 PU中斷概率隨目標傳輸速率變化情況

7 結束語

本文提出了基于AF的認知多用戶中繼協作NOMA系統，推導并分析了MCR、SU-S-BCR、PU-S-BCR和C-SU-PU-BCR這4種認知中繼協作方案下CM-RC-NOMA系統中PU和SU中斷性能。仿真結果表明，當SU到PU信道鏈路條件不差于BS到PU信道鏈路條件時，AF方式相比DF方式可以使PU獲得更低的中斷概率；所提C-SU-PU-BCR方案可以實現最佳的PU中斷性能，可應用于實際節約信令開銷。需要說明的是，本文僅從PU角度分析了基于AF方式的CM-RC-NOMA性能，下一步將考慮包括PU和SU的全網性能，以便更實際地測量CM-RC-NOMA系統整體網絡性能，以及采用NOMA技術所帶來的PU和SU性能折衷情況。

圖7 PU中斷概率隨PU分配的功率比變化情況

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Research on the NOMA performance in cognitive cooperation network

LI Meiling1, LI Ying1, SAMI Muhaidat2, DONG Zengshou1, WANG Anhong1, LIANG Jie1, DING Liping3

1. School of Electronic and Information Engineering, Taiyuan University of Science and Technology, Taiyuan 030024, China 2. University of Surrey, Surrey GU27XH, UK 3. Institute of Software, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100190, China

The non-orthogonal multiple access (NOMA) technology was studied in a downlink cognitive relay cooperation network. A cognitive multiuser relay cooperation based NOMA scheme was proposed (CM-RC-NOMA), in which, the outage performance of PU and SU were given under different cognitive relay cooperation schemes and the corresponding outage expressions were also derived. At the same time, the AF based relay cooperation method and the DF based relay cooperation method were compared. The simulation results show that the lower outage of PU can be achieved by AF method compared with DF method, when the channel condition of BS to PU is no more than that of SU to PU. It is also revealed that the optimal outage performance of PU can be achieved by the proposed best cognitive relay cooperation scheme in contrast to the traditional best cognitive relay cooperation scheme.

cognitive cooperation network, NOMA, best relay, outage probability

TN911.1

A

10.11959/j.issn.1000?436x.2018152

李美玲（1982?），女，山西寧武人，博士，太原科技大學副教授，主要研究方向為無線通信關鍵技術、認知無線網絡、協作通信、物理層安全技術、NOMA。

李瑩（1994?），女，山西河津人，太原科技大學碩士生，主要研究方向為無線認知網絡的物理層安全。

SAMI Muhaidat（1971?），男，加拿大人，英國薩里大學教授，主要研究方向為無線通信關鍵技術、物理層安全、物聯網技術等。

董增壽（1970?），男，山西壽陽人，博士，太原科技大學教授，主要研究方向為故障診斷、圖像處理與模式識別、專網通信技術等。

王安紅（1972?），女，山西聞喜人，博士，太原科技大學教授，主要研究方向為多媒體通信等。

梁杰（1970?），男，河南洛陽人，加拿大大西蒙雷澤夫大學教授，主要研究方向為視頻通信、深度學習等。

丁麗萍（1965?），女，山東青州人，中國科學院軟件研究所研究員、博士生導師，主要研究方向為數字取證、系統安全、可信計算等。

2018?04?22；

2018?08?02

李瑩，564932926@qq.com

國家自然科學基金資助項目（No.61672373, No.U1510115, No.91646203）；山西省高等學校科技創新基金資助項目（No.201802090）；山西省晉城科技攻關基金資助項目（No.201501004-4）；山西省互聯網+3D打印協同創新中心基金資助項目，山西省科技創新團隊基金資助項目（No. 201705D131025）；山西省1331工程重點創新團隊基金資助項目

The National Natural Science Foundation of China (No. 61672373, No. U1510115, No. 91646203),STIP (No.201802090), Jincheng Technology Research Projects of Shanxi Province (No.201501004-4), CiCi3DP, STITSX (No. 201705D131025), KITSX1331