基于CR-NOMA網絡的功率分配策略及中斷性能分析

李 成，郭道省，李明貴

(1.陸軍工程大學 通信工程學院，江蘇 南京 210001；2.63780部隊，海南 陵水 572427)

0 引言

非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)通過引入功率域復用，允許多用戶共享時頻資源，從而可以提高頻譜效率并增大網絡接入點密度，是未來無線通信的關鍵多址接入技術[1]。NOMA通過采用功率復用技術給不同用戶的信號分配不同的功率，并在發射機處進行疊加編碼。接收機采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)實現多用戶信號的檢測[2]。另一種可以改善頻譜效率的技術是認知無線電(Cognitive Radio，CR)。特別地，本文考慮的是底層認知無線電(Underlay Cognitive Radio)場景，即在保證主用戶的服務質量(Quality of Service，QoS)的情況下，允許次級用戶訪問主網絡的頻譜[3]?？梢灶A見，將NOMA和CR這兩種技術相結合可以顯著提高系統性能,即CR-NOMA。

NOMA系統的功率分配問題已經得到了廣泛的關注和研究。文獻[4]研究了基于比例公平的用戶配對及功率分配方案，以確保小區邊緣用戶的公平性。文獻[5]針對NOMA中繼網絡，提出了一種能夠最小化系統中斷概率同時能夠保證傳輸速率的功率分配方案。文獻[6]考慮了NOMA網絡下行鏈路蜂窩系統，結果表明功率分配因子的選取對系統的中斷性能有著重要的影響，并且與OMA(Orthogonal Multiple Access)相比，NOMA能夠獲得更大的遍歷容量。文獻[7]研究了underlay CR-NOMA協作網絡的中斷性能，其中，考慮了非理想SIC對系統性能的影響。文獻[8]基于相同的模型，研究了非理想信道狀態信息對譯碼的影響，同時比較了NOMA網絡和OMA網絡的中斷性能。

本文針對下行鏈路underlay CR-NOMA中繼網絡進行研究。網絡模型考慮了主網絡對次級網絡的干擾以及主網絡的干擾溫度約束(Interference Temperature Constraint,ITC)。從中斷概率的角度出發，研究了功率分配問題，并分析了功率分配因子對系統中斷性能的影響。

1 系統模型

圖1 下行鏈路CR-NOMA中繼網絡

對于underlay CR場景，為了確保主網絡能夠可靠通信，源端S的發送功率要受到限制[9]：

(1)

(2)

其中，I表示PU處的干擾溫度約束，P和βP分別表示源端S和中繼R的最大平均發送功率。

一個完整的通信過程包含兩個階段。第一階段，S發送疊加編碼信號給中繼R，R收到的信息為：

(3)

(4)

(5)

(6)

則D1譯碼x1時的SINR為：

(7)

D2譯碼x1和x2時的SINR分別為：

(8)

(9)

隨機變量X的積累分布函數(Cumulative Distribution Function，CDF)為：

ε,ρ>θ)

(10)

(11)

2 中斷概率及功率分配方案

2.1 中斷概率

接收端成功譯碼xi需要滿足γ(·),i>εi=22ui-1，其中ui表示譯碼消息xi所要求的目標速率。因此，用戶D1的中斷概率可定義為：

=1-P(X>φ1,Y1>ξ3)

=1-[1-FX(φ1)]·[1-FY1(ξ3)]

(12)

a2ε1且b1>b2ε1，否則，中斷概率為1。

將式(10)、(11)代入式(12)中，可得：

(13)

同理，用戶D2的中斷概率為：

=1-[1-FX(φ1)]·[1-FY2(φ2)]

(14)

整個系統的中斷概率為：

Pout=1-P(γR,1>ε1,γR,2>ε2,γD1,1>ε1，γD2,1>ε1，γD2,2>ε2)

=1-[1-FX(φ1)]·[1-FY1(ξ3)]·[1-FY2(φ2)]

(15)

2.2 功率分配方案

本小節以最小化系統中斷概率為目標，研究功率分配方案，確定最佳的功率分配因子。優化問題如下：

(16)

上述問題可以轉化為式(17)和式(19)兩個子問題分別進行優化。子問題1為：

=minmax{ξ1,ξ2}

(17)

上述問題為凸規劃問題，當ξ1=ξ2時取得最優解[10]，此時源端的功率分配因子為：

(18)

子問題2為：

(19)

公式(19b)要求ε1/(1+ε1)

3 仿真結果分析

本節通過MATLAB仿真分析系統的中斷性能。系統參數設置為：dSP=dRP=d0=d2=1，d1=1.5d2，α=3，β=1，σ2=1，η=0.5，b1=0.8，b2=0.2，ε1=ε2=3 dB[8]。另外，a1和a2的取值由公式(18)確定。理論值是通過公式算出來的精確解，即根據統計信道狀態信息來計算結果。仿真值是通過蒙特卡洛仿真計算出來的基于信道隨機性的統計平均值，蒙特卡洛仿真次數為106。

圖2為系統及用戶中斷概率隨信噪比變化示意圖，并規定I=20 dB。從圖中可以看出，中斷概率隨著信噪比的增加而降低，并最終趨近于一個定值，出現“中斷平臺”效應。這是因為在認知場景下，源端的發送功率是受限的。從圖中還可得知，用戶D2的中斷概率低于用戶D1的中斷概率，這是因為用戶D1距離中繼更遠，由于信道衰落，譯碼時的SINR值較低。

圖2 中斷概率隨信噪比變化關系圖

圖3為系統中斷概率隨中繼處功率分配因子b1變化示意圖，并規定P=30 dB，I=30 dB。觀察可知，當ε1>b1/b2時，發生中斷。當ε1

圖3 中斷概率隨b1變化關系圖

4 結論

本文研究了CR-NOMA中繼網絡的中斷性能，并以最小化系統中斷概率為目標，研究了相應的功率分配方案。推導得到了系統和用戶中斷概率閉合表達式，并分析了干擾溫度限制、功率分配因子對系統中斷性能的影響。