全雙工認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)下中繼選擇策略性能分析

楊鍵泉 賀玉成 馬夢(mèng)歡 周 林

(華僑大學(xué)廈門市移動(dòng)多媒體通信重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 福建廈門 361021)

1 引言

作為第五代移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)(5G)最有潛力的技術(shù)之一,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)技術(shù)具有高頻譜效率,低延遲,大規(guī)模連接等優(yōu)勢(shì)[1]。NOMA技術(shù)的基本思想是通過在功率域?qū)Χ鄠€(gè)用戶進(jìn)行線性疊加,實(shí)現(xiàn)在同一資源塊(時(shí)域,頻域或者空域)上通信。在NOMA用戶端采用串行干擾消除技術(shù)(successive interference cancellation, SIC)解碼所期望的信號(hào),解碼信號(hào)的順序是根據(jù)信道條件或用戶的服務(wù)質(zhì)量需求決定。文獻(xiàn)[2]在下行協(xié)作NOMA系統(tǒng)基礎(chǔ)上,提出了一個(gè)兩級(jí)中繼選擇策略,并與傳統(tǒng)最大最小中繼選擇策略作對(duì)比,推導(dǎo)了兩種選擇策略下的系統(tǒng)的中斷概率,證明前者能顯著提升系統(tǒng)性能,可實(shí)現(xiàn)最大的分集增益。文獻(xiàn)[3]研究了在Nakagami-m信道下,通過采用兩級(jí)中繼選擇策略來提高協(xié)作下行NOMA系統(tǒng)的保密中斷性能。

認(rèn)知無線電(cognitive radio, CR)技術(shù)作為另一種有效解決頻譜短缺的技術(shù),允許次級(jí)網(wǎng)絡(luò)接入主網(wǎng)絡(luò)授權(quán)頻譜。把NOMA技術(shù)與CR技術(shù)相結(jié)合,可進(jìn)一步提高頻譜效率的同時(shí),從而實(shí)現(xiàn)更智能頻譜共享[4]。認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)主要分為交織式,底層式以及覆蓋式三種。在底層認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)中,必須保證主用戶的干擾功率在可容忍干擾約束以下,次級(jí)網(wǎng)絡(luò)才被允許接入授權(quán)頻譜通信。文獻(xiàn)[5]研究了在不完美SIC場(chǎng)景下,推導(dǎo)了底層認(rèn)知NOMA系統(tǒng)中斷概率的閉合解。文獻(xiàn)[6]分析了下行協(xié)作認(rèn)知NOMA系統(tǒng)在不同距離下對(duì)系統(tǒng)的中斷性能影響,結(jié)果表明,不同的距離下,選取適當(dāng)?shù)墓β史峙湟蜃涌梢员ＷC次級(jí)用戶間的公平性。同時(shí)證明了不管是否有干擾約束,采用NOMA協(xié)議下的系統(tǒng)性能都優(yōu)于OMA協(xié)議下的性能。文獻(xiàn)[7]研究了一種具有多個(gè)次級(jí)用戶的下行認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò),文中考慮了不完美信道狀態(tài)信息的場(chǎng)景,推導(dǎo)了次級(jí)用戶中斷概率的廣義閉合解,并評(píng)估了不同功率因子對(duì)系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[8]研究了基于部分中繼選擇策略對(duì)下行認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)性能影響,結(jié)果驗(yàn)證了中繼數(shù)目和功率分配因子對(duì)系統(tǒng)性能的影響。文獻(xiàn)[9]研究了一種新的上下行認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò),文中同時(shí)考慮了全雙工和不完全SIC場(chǎng)景,并采取部分中繼選擇策略來提高系統(tǒng)性能。由于底層認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)存在嚴(yán)重的網(wǎng)絡(luò)間干擾問題,文獻(xiàn)[10]提出了一種新的覆蓋式認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò),在網(wǎng)絡(luò)中通過NOMA協(xié)議,次級(jí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)作為主網(wǎng)絡(luò)中繼,協(xié)助主次信息同時(shí)傳輸。推導(dǎo)了在Nakagami-m信道下,主次網(wǎng)絡(luò)的中斷性能和系統(tǒng)吞吐量,結(jié)果表明基于頻譜共享的覆蓋式認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)能有效提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[11]探討了不完美SIC下覆蓋式認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)的中斷性能,并通過考慮發(fā)射端與用戶端直連鏈路,在用戶端采取最大比合并來提高系統(tǒng)性能。文獻(xiàn)[12]研究了多個(gè)全雙工次級(jí)發(fā)射節(jié)點(diǎn)作為中繼的覆蓋式認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò),并在次級(jí)源節(jié)點(diǎn)中采取了能量采集與傳輸技術(shù),從主發(fā)射節(jié)點(diǎn)獲取射頻能量用于通信,在多個(gè)中繼端采取部分中繼選擇策略,最終證明了全雙工,SWIPT和NOMA技術(shù)能顯著提高覆蓋式認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)的中斷性能。

同時(shí)同頻全雙工(Co-frequency Co-time Full Duplex, CCFD)技術(shù),簡(jiǎn)稱全雙工(Full Duplex, FD),作為5G備選技術(shù)之一,是指在相同的頻率資源,相同的時(shí)刻,同時(shí)發(fā)送和接收電磁波的技術(shù)。全雙工技術(shù)具有提高一倍頻譜效率,減少中繼系統(tǒng)中端到端延遲等優(yōu)點(diǎn),有著廣泛研究意義。但由于全雙工中繼工作在相同的時(shí)頻資源,收發(fā)天線之間間隔較近,因此會(huì)發(fā)射天線會(huì)對(duì)接收天線造成強(qiáng)烈的自干擾(Self-Interference,SI)。降低自干擾消除的技術(shù)有:數(shù)字干擾消除技術(shù),天線隔離技術(shù)和模擬自干擾消除技術(shù)。文獻(xiàn)[13]研究了一個(gè)存在竊聽者全雙工協(xié)作中繼NOMA系統(tǒng),驗(yàn)證了全雙工下非理想自干擾因素對(duì)系統(tǒng)有較大的影響。文獻(xiàn)[14]研究了一個(gè)全雙工放大轉(zhuǎn)發(fā)中繼的下行NOMA系統(tǒng),通過部分中繼選擇策略選取最優(yōu)中繼,結(jié)果分析了中繼數(shù)量,用戶功率分配因子以及全雙工自干擾水平對(duì)系統(tǒng)影響。文獻(xiàn)[16]研究了在NOMA網(wǎng)絡(luò)中遠(yuǎn)端用戶結(jié)合了全雙工技術(shù)來干擾竊聽者,提出了兩階段用戶的協(xié)作方案,推導(dǎo)了各用戶的遍歷安全容量和遍歷容量表達(dá)式。為了滿足未來移動(dòng)通信大規(guī)模連接,高可靠性,低延遲等要求,把全雙工,認(rèn)知NOMA技術(shù)相結(jié)合是有一定研究意義的。文獻(xiàn)[17]把NOMA和全雙工技術(shù)相結(jié)合,應(yīng)用在滿足大規(guī)模鏈接,不同用戶服務(wù)質(zhì)量,高可靠及低延遲(URLLC)的V2X通信場(chǎng)景。

在認(rèn)知車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下,由于頻譜資源有限,如何提高頻譜利用率和用戶間延時(shí)問題,值得深入研究。基于上述研究基礎(chǔ)上,本文把認(rèn)知無線電網(wǎng)絡(luò)(cognitive radio network,CRN)與NOMA技術(shù)相結(jié)合,提出一種基于頻譜共享的認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)模型,(secondary user network,SUN)貢獻(xiàn)全雙工中繼節(jié)點(diǎn)協(xié)助主網(wǎng)絡(luò)(primary user network,PUN)通信,從而獲取接入授權(quán)頻譜的機(jī)會(huì)。在海量機(jī)器類通信和V2X車聯(lián)網(wǎng)場(chǎng)景下,存在大量潛在的傳感器,人、車通信設(shè)備進(jìn)行信息交互,CR-NOMA網(wǎng)絡(luò)可以提供隨機(jī)訪問的共享資源。同時(shí)與全雙工技術(shù)結(jié)合,滿足低延時(shí),高可靠性,大規(guī)模連接等要求。由于各通信終端之間可互為中繼,因此引入中繼選擇策略可顯著提高系統(tǒng)性能。本文采用兩階段中繼和部分中繼選擇策略,并推導(dǎo)了在全雙工中繼非理想自干擾消除下系統(tǒng)中斷概率表達(dá)式,并進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。

2 系統(tǒng)模型

系統(tǒng)模型如圖1所示,考慮了一個(gè)基于頻譜共享的認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)。PUN由一個(gè)源節(jié)點(diǎn)PT和一個(gè)主用戶PU組成,SUN包括一個(gè)次級(jí)源節(jié)點(diǎn)ST,N個(gè)次級(jí)中繼和一個(gè)次級(jí)用戶。假設(shè)源節(jié)點(diǎn)到用戶之間由于距離過遠(yuǎn),不存在直連鏈路。因此,PT需要借助次級(jí)中繼實(shí)現(xiàn)可靠通信,作為回報(bào),SUN獲取接入授權(quán)頻譜的機(jī)會(huì),傳輸次級(jí)信號(hào)。假設(shè)所有中繼采取解碼轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議和全雙工模式通信,此外,其他節(jié)點(diǎn)均配備單天線以半雙工模式通信。同時(shí)假設(shè)網(wǎng)絡(luò)中所有信道均經(jīng)歷準(zhǔn)靜態(tài)瑞利衰落。

圖1 系統(tǒng)模型Fig.1 System model

在上行鏈路,PT和ST同時(shí)發(fā)送主次信號(hào)到N個(gè)全雙工次級(jí)中繼,由于在網(wǎng)絡(luò)中PUN貢獻(xiàn)頻譜,并且為了確保主用戶信息可靠傳輸,因此主用戶具有更高的Q0S,因此主信號(hào)具有更高的解碼優(yōu)先級(jí)。αi為功率分配因子,α1>α2且α1+α2=1。x1,x2分別為預(yù)備發(fā)送到用戶端PU,SU的信號(hào),E(|xi|2)=1,i∈{1,2},發(fā)射功率分別為PT,PS。 全雙工中繼Rn同時(shí)接收來自上行鏈路的復(fù)合信號(hào)和全雙工中繼引起的自干擾信號(hào)。在本文假設(shè)中繼經(jīng)過自干擾消除技術(shù)后仍存在部分殘余自干擾,為了簡(jiǎn)化分析假設(shè)殘余自干擾為一個(gè)常數(shù)IL[9]。因此,中繼Rn接收到的信號(hào)為:

(1)

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

γSU→x2=α2ρR|hR2|2

(7)

3 中繼選擇方案與性能分析

3.1 兩階段中繼選擇方案

兩階段中繼選擇方案(Two-Stage Relay Selection Strategies)的目的是確保主用戶PU目標(biāo)速率實(shí)現(xiàn)的同時(shí),以盡可能大的傳輸速率為次級(jí)用戶SU服務(wù)。這種兩階段中繼選擇策略可描述如下:首先第一階段通過滿足主用戶PU目標(biāo)速率來構(gòu)建以下中繼子集:

(8)

其中,R1表示PU目標(biāo)速率閾值。在第二階段,我們從選取得中繼子集sr中選取最優(yōu)中繼,使傳輸SU的速率最大化,最優(yōu)中繼選擇表示如下:

(9)

Ω=Ω1∪Ω2

(10)

P(Ω1)計(jì)算如下:

(11)

定義ξ1=2R1-1,因?yàn)樗行诺涝鲆婢闹笖?shù)分布,由式(2),(5)和(6)經(jīng)過概率論知識(shí)和積分運(yùn)算,得到:

(12)

P(Ω2)計(jì)算如下:

(13)

定義xn=min(γR→x2,γSU→x2),xn*=max{xi,?i∈Sr}。

定義中繼子集不為0時(shí)的累計(jì)分布函數(shù)為F(Λ2),表達(dá)式如下:

(14)

(15)

(16)

同理:

(17)

同理,可計(jì)算出Δ4的值如下:

(18)

由式(2),(6)推導(dǎo)得到:

(19)

(20)

因此,中繼子集為l的概率可表示為:

(21)

系統(tǒng)的中斷概率為:

(22)

3.2 部分中繼選擇方案

部分中繼選擇策略:(Partial Relay Selection Scheme,PRSS):根據(jù)PT→Rn和ST→Rn鏈路瞬時(shí)狀態(tài)信息選擇最佳中繼,選擇策略表示如下:

(23)

(24)

根據(jù)中繼選擇原則,|hPR|2,|hSR|2的概率密度函數(shù)可以表示為:

(25)

(26)

系統(tǒng)的中斷概率可以表示為:

(27)

經(jīng)過積分計(jì)算,Pout計(jì)算如下:

(28)

4 性能仿真

本文通過采用了全雙工技術(shù)和兩種不同的中繼選擇策略,并在中繼Rn,接收端PU,SU采取串行干擾消除技術(shù),推導(dǎo)分析在兩種不同中繼策略下認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)的中斷概率。并對(duì)網(wǎng)絡(luò)模型在瑞利衰落信道下進(jìn)行MATLAB仿真驗(yàn)證。因此對(duì)認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)模型參數(shù)設(shè)置如下:λSR=λR2=2,λPR=λR1=1,R1=0.8 bit/s,R2=1.5 bit/s,PS=PR=20 dBm,PT=30 dBm,IL=-20 dBm,α1=0.75,通過蒙特卡羅仿真次數(shù)10萬次仿真結(jié)果顯示,計(jì)算結(jié)果與蒙特卡羅仿真結(jié)果基本相同。

圖2驗(yàn)證了中繼數(shù)量對(duì)認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)中斷概率的影響。由圖可以看出,當(dāng)采取部分中繼選擇策略時(shí),系統(tǒng)中斷概率在中繼數(shù)目大于3后不再變化,這意味著部分中繼選擇策略給系統(tǒng)帶來的性能增益有限。而系統(tǒng)采取兩階段中級(jí)選擇策略后,系統(tǒng)性能隨著中繼數(shù)目的增加得到顯著提升。并且中繼數(shù)目大于1時(shí),兩階段中繼選擇策略對(duì)系統(tǒng)性能的提高都優(yōu)于部分中繼選擇策略,隨著中繼數(shù)目增加,兩種策略性能差異越顯著。

圖2 中繼數(shù)目與系統(tǒng)中斷概率關(guān)系Fig.2 System outage probability versus number of relay

圖3顯示了全雙工與半雙工中繼下與系統(tǒng)中斷概率的關(guān)系。可以注意到,不管采取哪一種中繼選擇策略,全雙工中繼輔助的認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)性能都優(yōu)于傳統(tǒng)半雙工中繼輔助的認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò)。這是由于全雙工中繼能在相同的頻率資源,相同的時(shí)刻,同時(shí)收發(fā)信號(hào),因此,顯著提高了系統(tǒng)頻譜效率和中斷性能。

圖3 雙工模式與系統(tǒng)中斷概率關(guān)系Fig.3 System outage probability versus duplex mode of relay

圖4給出了當(dāng)中繼數(shù)目為3時(shí),本文兩種算法和文獻(xiàn)[12]策略下系統(tǒng)中斷概率仿真曲線。由圖可見,三種算法都明顯提高系統(tǒng)的中斷性能。在低信噪比區(qū)域,本文部分中繼選擇策略與文獻(xiàn)[12]策略下性能相當(dāng),隨著中繼轉(zhuǎn)發(fā)功率增大,文獻(xiàn)[12]相比本文策略2,可帶來更明顯的性能增益。而兩階段中繼選擇策略對(duì)比另外兩種算法,中斷性能得到了顯著提升。

圖4 本文中繼選擇算法與文獻(xiàn)[12]算法對(duì)比Fig.4 Comparison of the relay selection algorithm of this paper and algorithm in literature[12]

圖5顯示了中繼發(fā)射功率與系統(tǒng)中斷概率的關(guān)系。由圖5可以看出,兩種中繼選擇策略相比單中繼轉(zhuǎn)發(fā),都體現(xiàn)出了很好的性能增益。并且兩種中繼選擇策略下,系統(tǒng)的中斷性能隨著中繼發(fā)射功率的增大而提高。在兩階段中繼選擇策略中,隨著發(fā)射功率的增加性能提高幅度越大。兩階段中繼選擇策略保證了主用戶實(shí)現(xiàn)可靠通信的同時(shí),可以使次級(jí)用戶傳輸速率最大化。因此適用于一些對(duì)次級(jí)用戶速率要求比較高的通信場(chǎng)景,如導(dǎo)航,緊急消息廣播。部分中繼選擇策略需要根據(jù)上行鏈路瞬時(shí)狀態(tài)信息來選取最優(yōu)中繼子集。由仿真結(jié)果對(duì)比兩種中繼選擇策略,當(dāng)中繼數(shù)目較多時(shí),兩階段中繼選擇策略體現(xiàn)出顯著的性能優(yōu)勢(shì),但相應(yīng)的算法和硬件的復(fù)雜度要求更高。而部分中繼選擇策略性能增益有限,但更容易在通信場(chǎng)景中實(shí)現(xiàn)。因此,可以通過增加中繼發(fā)射功率和增加中繼數(shù)量可顯著降低系統(tǒng)中斷概率。

圖5 中繼發(fā)射功率與系統(tǒng)中斷概率關(guān)系Fig.5 System outage probability versus transmitting power of relay

5 結(jié)論

本文討論了在兩種中繼選擇策略下,全雙工和半雙工中繼輔助的認(rèn)知NOMA網(wǎng)絡(luò),推導(dǎo)了系統(tǒng)中斷概率的閉合解,并通過了仿真驗(yàn)證。結(jié)果表明:1)相比部分中繼選擇策略,兩階段中繼選擇策略能顯著提升系統(tǒng)中斷性能;2)通過增加中繼數(shù)目和提高中繼發(fā)射功率都能提高系統(tǒng)性能;3)系統(tǒng)通過采用全雙工中繼技術(shù)能有效提高系統(tǒng)頻譜效率和中斷性能。