5G中非正交多址接入下功率分配與用戶選擇算法的研究

賈麗妍 曹睿杭 李晨 張夢 程家貴 揚州大學

1.引言

由于物聯網，云服務等的發展，新的業務模型和應用不斷涌現，為加快新業務，新應用的開發，第五代移動通信網絡( 5G) 的發展有了強大的推動力。作為面向 5G 的關鍵技術之一，NOMA 系統中的功率分配和用戶選擇問題近年來引起學術界的廣泛關注，不少學者對其進行了深入的研究?，F有功率分配算法主要 FSPA( full search power allocation，全空間搜索算法)、FPA( fixed power allocation，固定功率分配算法)、IWPA ( iterative water filling power allocation，迭代注水功率分配算法)以及 FTPA( fractional transmit power allocation，分數階發射功率分配算法)。已有的用戶選擇算法主要有隨機選擇算法，基于信道差異選擇算法和窮盡遍歷的用戶選擇算法。

2.功率分配算法

2.1 FSPA

FSPA通過對候選用戶集中的用戶遍歷所有可能的功率分配方案，從而獲得最優的功率分配，實現非正交多址系統的最佳性能。但此方案以較高的復雜度換取最佳的系統性能和速率性能，使得系統開銷比較大，故在實際系統中一般不予采用。

2.2 FPA

FPA先將獲得調度的用戶根據其信道增益降序排列，然后按照預先確定的比例系數確定相鄰用戶分配的功率。FPA雖然復雜度較低，但是系統性能受功率分配因子的影響較大，且通常不能達到系統的最佳性能。

2.3 IWPA

注水算法是根據注水定理，使得信道自適應分配發送功率，根據信道狀況的優劣來確定分配功率的多少，從而實現傳輸速率最大化。實現功率的 “注水”分配。在以功率信號為信息載體的非正交多址技術中，注水功率分配算法的這一特性既保證系統容量的最大化，又保證了用戶的公平性。IWPA可以實現較好功率分配性能，但其存在局部最優及復雜度高的問題。該算法雖然可以獲得更好的系統吞吐量，但是迭代過程中考慮了子載波上所有用戶，算法復雜度很高。

2.4 FTPA

FTPA算法根據用戶的信道增益和系統定義的一個衰減因子進行功率分配，衰減因子越大，分配給較低信道增益用戶的功率越高。這種方法在初次分配中忽視了信道的時變特性，是一種次優的功率分配方法。FTPA平衡了低信噪比用戶的公平性并且降低了接收端譯碼的復雜度，但是 FTPA 是局部最優化方案，并且系統性能同樣受到所選功率分配因子的影響，因此FTPA方案還有待進一步完善。

2.5 四種功率算法比較

以上四種功率分配的方案，除了全空間搜索算法在實現上比較復雜，其他四種算法都能在工程上實現，并且這三種方案中復雜度為IWPA＞FPA＞FPTA.其中IWPA是性能最優的。FPA算法盡管實現復雜度和FTPA算法差不多，但是其性能較差，綜合考慮，FTPA的方案因為性能逼近IWPA方案，且實現復雜度適中，應用在NOMA系統中最為合理。

3.用戶選擇算法

3.1 隨機用戶選擇算法

隨機用戶選擇算法是一種簡單的算法，它的基本思想是在非正交多址系統的發送端分組時，在候選的用戶集合中，隨機的選擇用戶分配在子信道上。隨機用戶選擇算法從第一個子信道開始，對小區內的所有候選用戶隨機的選取并分配。隨機用戶選擇算法的選擇思想簡單，雖然復雜度很低，但是用戶之間選擇是隨機匹配的，并沒有考慮每個用戶的信道增益對用戶選擇的影響，會使得系統性能較差，同時不能保證用戶接入的公平性。

3.2 窮盡遍歷的用戶選擇算法

窮盡遍歷搜索的用戶選擇算法，是將空間里所有可能的選擇情況列出來，找到能夠在用戶容量與系統容量之間達到良好折中的疊加用戶組合。遍歷搜索的用戶選擇算法，需要對候選空間內的所有用戶組合進行搜索和計算，從而選擇性能最佳的疊加用戶組合，這樣充分考慮了疊加用戶之間的干擾，可以最大化系統的容量性能。雖然性能優勢明顯，但該算法的用戶迭代的復雜度較高。

3.3 基于用戶信道差異的用戶選擇算法

由于當用戶之間的信道差異較大時，會使用戶信息在接收端容易分離，根據這一性質，我們可以根據用戶信道的差異來進行疊加用戶的選擇?；谛诺啦町惖倪x擇考慮了疊加用戶之間的信道狀況，性能相對于隨機選擇算法有了極大提高，但當信道差異較小時將會影響疊加組合的傳輸性能。

3.4 比較以上算法

對比以上幾種用戶選擇算法可知，窮盡遍歷用戶選擇可以達到最好的性能，而隨機選擇性能最差。窮盡搜索的用戶選擇算法，通過對所有的候選用戶組合進行迭代計算，充分保證了用戶速率和系統速率之間的良好折中，可以達到最好的系統性能，但是該算法的復雜度也是最高的。

4.結語

本文著重介紹了NOMA系統中的功率分配和用戶選擇問題，提出了目前已有的功率分配和用戶選擇算法，并對此進行了分析和概括。5G逐步由新技術探索研究，向標準制定過渡，大量的新技術對提高5G的性能起到積極的作用，而NOMA技術及其相關研究，對5G技術的發展相信會帶來積極的促進作用。隨著信息社會的發展，5G時代即將到來。

（指導教師：楊睛）