5G通信網絡中基于BAT算法的NOMA系統功率分配方法

【摘要】? ? 由于無線通信系統中頻譜資源的稀缺性，優化資源分配的需求日益增加。非正交多址接入（Non-orthogonal multiple access，NOMA）被認為是第五代移動通信網絡（5G）的一種理想的多址方案，其特點是頻譜效率高，容量大，能為用戶靈活的配置無線資源。本文提出一種NOMA系統下的資源分配方案，目的是使系統的吞吐量最大化。將資源分配問題分成兩個子問題：用戶信道分配問題和功率分配問題，提出一種基于BAT算法的最優功率分配方案。將提出的方案與基于粒子群優化的功率分配方案和隨機功率分配方案進行了比較。仿真結果表明，我們提出的方案在提高小區吞吐量方面表現更優。

【關鍵詞】? ? 5G? ? NOMA? ? 信道分配? ? BAT算法? ? 功率分配

引言：

第五代無線通信網絡 （5G）需要低延遲、高可靠性、用戶的大規模連接性，并在資源分配方面提高公平性[1]。NOMA維護了用戶的公平性，同時為頻譜稀缺問題提供最佳解決方案。此外，在下行鏈路NOMA中，在發射機處執行疊加編碼，而在接收機處執行串行干擾消除（Successive Interference Cancellation，SIC），將不同用戶的信號分離、解調。因此，NOMA提高了系統的頻譜效率和性能[2]，是5G網絡中最有前途和最重要的技術。

一、系統模型

假設我們的模型是一個單基站單天線系統，共有N個用戶，K個子信道。系統總帶寬為B，將總帶寬平均分給K個子信道，則每個信道的帶寬為B/K。讓第n個用戶占據第k個信道，n∈（1，N），k∈（1，K） 。基站向每個子信道上發送分配在該子信道上的用戶的NOMA疊加信號。由NOMA協議可以得到，發射端，從基站發送到第n個用戶的疊加信號y1為：

（1）

其中，假設子信道k上分配的用戶數為Mk，由基站發射的傳輸信號由sn表示。pk表示第k個信道基站的傳輸功率。ak，n表示第k個信道上第n用戶的功率分配系數。

接收端，在第k個信道上第n個用戶處接收到的信號y2可以表示為：

（2）

其hk，n為第k個信道上第n個用戶的信道增益系數。zk，n是均值為0，方差為的加性高斯白噪聲。假設hk，n遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，hk，n越大表示信道條件越好。定義第k個信道上第n個用戶的信干噪比SINR為：

（3）

其中表示噪聲功率，并假設有完美的無差錯解碼，即SIC在解調用戶信號時無差錯，可實現的傳輸速率為：

（4）

為了使NOMA系統的吞吐量達到最大，可以將優化問題建模為：

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

其中xk，n是用于信道選擇的二進制變量，xk，n=1表示第k個信道由n個用戶共享，否則xk，n=0。

我們的目標是優化我們的下行NOMA網絡的總體吞吐量。式（6）表示BS在每個下行信道上的傳輸功率系數之和為1。式（7）表示每個功率分配系數不能為負，式（8）保證了每個用戶的最小速率約束。式（9）和式（10）限制每個用戶最多被分配一個信道。

式（5）描述了信道選擇與功率分配的聯合問題。該優化問題為非凸優化問題，復雜度太高。因此，我們將該問題分解為子信道分配和功率分配問題兩部分。

二、 信道分配方案

根據NOMA的概念：大量用戶被容納在同一信道上，非正交地共享信道。因此，我們的任務是將最適合的信道分配給特定的用戶。對于一個子信道，為了獲得該子信道的最大和速率，最優的子信道分配方案是將在該子信道中具有最高信道增益系數的兩個用戶分配在該子信道中。

分配給用戶的信道增益系數遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，這表明在k信道上，用戶1比用戶2和用戶3具有更好的信道條件。信道分配問題只是一個二元線性規劃問題，在此不再贅述。

三、功率分配方案

BAT算法是受蝙蝠回聲定位捕食行為啟發，提出的一種基于迭代優化技術的新型群智能優化算法。在本節中，我們利用BAT算法對功率分配問題進行優化。第i個蝙蝠的位置xi被定義為分配給用戶的功率。我們的主要目標是通過優化發射功率來提高整個小區用戶的信道容量。式（11）表示需要優化的用戶的發射功率集合。

（11）

根據式（12）、（13）和式（14），蝙蝠的運動進行更新。其中的f表示蝙蝠尋找獵物的頻率。而fmin和fmax依次表示頻率的上下界。β表示[0，1]之間的隨機向量。第i個BAT的速度和位置分別用vi和xi表示，其中t表示當前迭代數，X*表示到目前為止所建立的當前最佳狀態[10]。

（13）

（14）

（15）

當從初始階段選取當前最優解時，利用隨機游動方程，即

（16）

式（11）中At表示所有蝙蝠的平均響度，是[-1，1]之間的隨機數。在每次迭代中，響度和發射脈沖頻率由下面的等式更新。

（17）

（18）

α∈（0，1），是響度衰減系數。，是脈沖頻率增強系數。表示蝙蝠i的初始脈沖頻率。

四、結束語

本文討論了在NOMA系統中，用戶的資源分配問題，目的是使系統的吞吐量最大化。將資源分配問題分成兩個子問題：用戶信道分配問題和功率分配問題，給出了一種基于BAT算法的最優功率分配方案。

作者單位：呂雨桐? ? 內蒙古電力科學研究院

參? 考? 文? 獻

[1] J. G. Andrews et al.， “What Will 5G Be？，” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications， vol. 32， no. 6， pp. 1065-1082， June 2014.

[2] B. Liu， C. Liu， M. Peng， Y. Liu and S. Yan， “Resource Allocation for Non-Orthogonal Multiple Access-Enabled Fog Radio Access Networks，” in IEEE Transactions on Wireless Communications， vol. 19， no. 6， pp. 3867-3878， June 2020.

[3] J. Zhu， J. Wang， Y. Huang， S. He， X. You and L. Yang， “On Optimal Power Allocation for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access Systems，” in IEEE Journal on Selected Areas in Communications， vol. 35， no. 12， pp. 2744-2757， Dec. 2017.