多用戶協作NOMA系統中的最優中繼選擇策略

周 圍,黎婧怡,廖先平,賀 凡

1(重慶郵電大學 通信與信息工程學院,重慶 400065)

2(重慶郵電大學 移動通信技術重慶市重點實驗室,重慶 400065)

0 引 言

隨著無線通信技術的快速發展,人們渴望更快的互聯網接入速度與更大的移動端接入量,具備可靠與高效的無線通信系統是當下和未來的重要發展目標.作為5G無線通信系統中最具潛力的多址接入技術之一,非正交多址接入技術憑借其能夠實現更高頻譜效率而備受關注[1-4].具體來說,非正交多址接入技術(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技術以犧牲接收端的復雜度為代價,允許多個用戶共享相同的頻譜資源,以此來打破用戶資源塊之間相互正交的限制,從而獲得更大的用戶接入量與更高的傳輸速率.

在NOMA系統中,由于采用功率復用技術主動引入干擾信息會影響用戶接收信號的質量,因此,在各用戶接收端采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技術可以逐步消除疊加信號中其他用戶信號的干擾.除此之外,將協作通信技術應用到NOMA系統也可以顯著提高信號的傳輸可靠性,并且相關研究成果表明NOMA技術與協作通信技術的結合可以為更多用戶提供服務,顯著地提高了小區基站的覆蓋率,與此同時,還能大幅度改善小區邊緣用戶的信號質量[5-8].協作通信在NOMA中的應用主要分為兩大類,即中繼協作NOMA以及用戶協作NOMA,而在多中繼系統下的中繼選擇策略正在被業界廣泛研究.Lee等[9]提出了一種在中繼處采取放大轉發(Amplify and Forward,AF)技術參與協作傳輸的部分中繼選擇(Partial Relay Selection,PRS)方案,推導出了用戶中斷概率的精確閉合表達式.Liran等[10]則是在此基礎上將中繼的轉發技術改為解碼轉發(Decode and Forward,DF)技術向終端用戶發送信號,并采用PRS方案選擇最佳中繼.Song等[11]以提高系統的中斷性能為目標,設計了一種分布式被動中繼選擇策略,并仿真分析出中繼節點位置與數量的變化對系統中斷概率的影響情況.Li等[12]在一種非理想硬件特性的單竊聽多中繼協作NOMA系統下,提出了聯合考慮合法信道和竊聽信道使目標信噪比最大化的中繼傳輸策略,最終仿真表明所提策略能夠有效提高用戶的安全中斷性能.更有研究結果表明,引入用戶中繼參與協作傳輸可以有效地降低成本與功耗.Do等[13]利用近端用戶充當中繼輔助基站轉發信號,并分析了一種基于最佳遠近(Best-Near Best-Far,BNBF)用戶選擇方案下用戶的中斷概率.Ju等[14]考慮了存在多個時隙的系統傳輸策略,利用Max-Min原則選擇最優與次最優的中繼轉發疊加信號到用戶,特別地是,與傳統方案用戶只能在偶數時隙接收到信號的方案不同,該文策略能在除第一時隙外的所有時隙內接收到信號.Li等[15]在協作網絡中研究了3種最佳中繼選擇方案.Lu等[16]采用多中繼傳輸,提出了一種基于單源最優路徑的中繼選擇策略,選取多個中繼參與協作傳輸.除此以外,Mohammed等[17]還將協作NOMA技術與認知網絡相結合,并聯合考慮了中繼選擇與功率分配兩個問題,不僅在滿足QoS的基礎上,提高了系統性能,而且也實現了較低的計算復雜度.

上述文獻及現有關于中繼選擇的研究中常單獨考慮AF或DF協議,但這兩種轉發方式也有一定的弊端:AF在放大有用信號的同時也放大了噪聲,DF則易出現中繼無法成功解碼信號而導致錯誤傳輸的情況.針對以上問題,本文在下行多用戶中繼協作NOMA系統下,提出了一種基于混合譯碼/放大轉發(Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,HDAF)協議的用戶中繼選擇策略.除此之外,為進一步提升系統的通信性能,引入自動請求重傳技術(Auto Repeat reQuest,ARQ),充分考慮基站到遠端用戶的信道條件,將HDAF優化成為一種研究增強中繼的混合譯碼/放大轉發(Incremental Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,IHDAF)協議,并對各策略下的系統中斷性能進行了仿真驗證.

1 系統模型

圖1 系統模型Fig.1 System model

(1)

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(4)

其中,ρs為平均傳輸信噪比,定義為ρs=Ps/σ2;同理,Uf處的接收信噪比為:

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(8)

在Uf端采用SIC技術解碼信號,其接收信噪比為:

(9)

(10)

式中,定義ρn=Pn/σ2為平均傳輸信噪比.

2 中繼選擇策略與性能分析

2.1 HDAF中繼選擇策略

HDAF協議的具體思想是,當用戶中繼能夠成功解碼出基站發送的疊加信號時,采用DF方式協作轉發信號,否則采用AF方式轉發.基于該協議的中繼選擇策略如下:首先將所有中繼節點中能正確解碼信號的中繼用戶放入DF候選中繼集合中,如式(11)構建出SDF中繼子集:

(11)

其中,γ1和γ2為兩個用戶的SNR判決門限,分別定義為γ1=22R1-1、γ2=22R2-1,R1和R2為Uf和Un的目標速率閾值.接下來,再將未能滿足式(11)的中繼用戶放入名為SAF的中繼子集中.

第2階段,分別在SDF和SAF候選子集中根據接收信噪比最大選出各自的最佳中繼,最后,根據式(12)選出最優用戶中繼:

(12)

因此,上述HDAF中繼選擇策略的步驟流程如圖2所示.

圖2 HDAF策略流程圖Fig.2 Flowchart in HDAF strategy

當Uf處可獲得的信噪比小于所能解碼的最小要求信噪比γ1時,系統發生中斷.因此,本文將中斷事件定義為兩種情況:情況1為中繼采用DF方式轉發信號時,Uf無法成功解碼信號xf;情況2則是中繼采用AF方式協作時,Uf解碼自身信號失敗.考慮Uf采用SC方式合并來自基站和最佳中繼的信號,其發生中斷的概率可以表示為:

(13)

由式(11)可知,假設在M個用戶中繼中有K個Un可以正確解碼信號,則SDF中有K個中繼的概率可以表示為:

(14)

(15)

(16)

(17)

對于式(13),可以進一步理解成為兩部分:1)有可以成功解碼的候選中繼時,從SDF的K個中繼和SAF的M-K個中繼中根據式(12)的中繼選擇原則選出最佳中繼參與協作,此時系統發生中斷的概率;2)沒有中繼可以成功解碼,即SDF=φ時的中斷概率.所以,第1部分的中斷概率可以表示為:

(18)

(19)

(20)

(21)

根據公式(14)、(15)、(19)、(21),所提出的HDAF中繼選擇策略中斷概率的最終表達式如式(22)所示:

(22)

2.2 IHDAF中繼選擇策略

為了進一步提高系統的中斷性能,本節在HDAF協議的基礎上,引入增量中繼的概念,提出一種基于IHDAF協議的中繼選擇策略.對于增量中繼,假設用戶節點到基站和中繼鏈路之間存在一個反饋信道,即如果通過直接鏈路傳輸時,目的節點能夠正確接收來自基站的發送信號,則向中繼發送一個反饋信號,“通知”中繼不用參與協作傳輸.由于中繼依賴于基站到目的節點之間的直接鏈路,其不用始終進行轉發,協作階段變得隨機,因此,該策略能夠更好的提高系統頻譜效率.

除此之外,本策略還引入ARQ機制,存在基站重傳疊加信號的部分,則基于IHDAF協議的中繼選擇過程如下:

首先,基站發送疊加信號到Uf節點,若在第一階段用戶能夠成功接收信號,則說明BS→Uf鏈路之間的信號傳輸沒有發生中斷,于是,用戶發送代表 “Success”含義的ACK1幀的反饋信號,基站接收到ACK1幀后開始為下一時隙發送新信號做準備,而用戶中繼Un始終保持沉默,參考式(5),此時用戶的接收信噪比為:

(23)

當用戶沒有正確接收到信號時,就立即發送含義為“Half-Success”的ACK2幀,通知基站進行信號的重傳;若基站在一定時間內沒有接收到來自用戶的反饋信號,則認為直傳失敗,此時啟動ARQ機制,基站重傳信號到用戶Uf,中繼保持沉默,此時用戶的SNR表示為:

(24)

由系統模型可知,該策略下的中斷過程為:當基站在第2階段重傳失敗,采用協作傳輸時,才會有可能發生中斷,即當用戶中繼根據中繼選擇原則采用DF或AF轉發方式參與協作,并且Uf處的SNR小于所設定閾值γ1時,其解碼自身信號失敗發生中斷.則基于IHDAF協議下Uf的中斷概率表示為:

2.3 Un中斷概率分析

在引入協作傳輸時,根據SIC技術原理,Un先對xf進行解碼,從接收信號中刪除xf后,再對xn進行解碼,獲得自身所需信號.因此,Un的中斷情況由以下兩個部分組成:1)Un解碼xf失敗;2)Un解碼xf成功,但解碼xn失敗.因此,Un的中斷概率可以計算成:

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3 仿真分析

本章將通過MATLAB分別對采用HDAF和IHDAF中繼選擇策略的多用戶協作NOMA系統進行性能分析,并將本文所提策略與其他文獻策略進行對比研究.因此對于多用戶協作NOMA網絡模型參數,在沒有特別說明的情況下設置為:目標速率閾值R1=R2=1 bit/s,功率分配系數α1=0.8,α2=0.2,發射功率Ps=Pn,中繼節點個數M=4.另外,本章還利用蒙特卡羅仿真100萬次的結果對各中繼選擇策略進行了性能分析,每一次仿真都相應產生各節點之間的信道衰落系數,并計算出各節點解碼信號的信噪比,按照HDAF策略與IHDAF策略的流程步驟尋找出最優中繼參與計算中斷概率.除此以外,仿真實驗還將100萬次的蒙特卡羅仿真結果與本文推導的表達式做對比,以此檢驗表達式的推導是否正確.

圖3展示了在不同用戶中繼數量的情況下,采用本文所提兩種中繼選擇策略的遠端用戶中斷概率隨發射信噪比增長的變化情況.其中,基站到中繼的距離dsn=0.3,中繼到遠端用戶的距離dnf=1-dsn,路徑損耗指數ξ=3,用戶中繼數量分別設置為2、4、8個.如圖3所示,不管系統采用HDAF還是IHDAF中繼選擇策略,中斷概率的蒙特卡羅仿真結果都與解析結果曲線重合,即驗證了表達式推導的正確性;另外,當發射信噪比逐漸增大時,用戶的中斷性能會逐漸增強;中繼數量的增多,也能導致用戶中斷概率曲線斜率的變大,使得中斷概率下降得更加明顯,造成這種變化的主要原因是由于隨著中繼數量的增加,可選擇的信道范圍得以增加,因而能獲得更好的系統性能.由此可知,在協作通信場景中,較高的中繼數量可以顯著降低系統中斷概率,提升系統傳輸的可靠性.除此之外,提高發射功率同樣也可以有效地提高系統中斷性能.

圖3 不同中繼數量下Uf的中斷概率隨SNR的變化情況Fig.3 Outage probability of Uf versus SNR under different number of relays

圖4展示了在不同的信道條件下,Un中斷概率隨發射信噪比的變化情況.由于本文不考慮Un網絡間的內部轉發,因此其中斷概率與所選中繼轉發方式無關,僅與BS→Un鏈路間的信道條件相關.由圖4顯示,對于近端用戶,當Ωsn=6時,系統中斷性能最好,Ωsn=3時次之,當Ωsn=1時,系統中斷性能最差.由此可知,隨著基站到Un鏈路條件的變好,其中斷概率顯著下降,例如當中斷概率為10-2時,在Ωsn=6的情況下對發射機信噪比的要求相比Ωsn=3情況下對發射機信噪比的要求約低3dB.

圖4 Un中斷概率隨SNR的變化曲線Fig.4 Outage probability of Un versus SNR

圖5為當基站到Uf鏈路的信道條件與Un到Uf信道條件相等時,本文所提HDAF、IHDAF中繼選擇策略與傳統部分中繼選擇(PRS)[9-10]、最大最小(Max-Min)[14]選擇策略的對比曲線.此時,協作NOMA系統的參數設計為:Ωsf=Ωsn=Ωnf=1.可以看出,本文的兩種策略在中斷性能上都要明顯優于傳統策略,并且,由于增加了BS→Uf鏈路信道條件的判斷,使得IHDAF協議下的中繼選擇策略比HDAF策略具有更低的中斷概率,如在中斷概率為10-4時,IHDAF選擇策略相對于HDAF獲得了2dB的增益.另外,當中繼選取不同的轉發方式參與協作時,也會獲得不同的效果,PRS-AF策略在各信道鏈路條件相同的情況下能獲得比PRS-DF策略更低的中斷概率,使系統中斷性能得到了一定的改善,這是因為當采用AF協議進行工作時,即使中繼會同時放大有用信號和噪聲信號,但遠端用戶在接收到中繼用戶轉發的信號之后,立即采用SIC技術對大部分的加性高斯白噪聲進行消除,以此來獲得自身所需信號,所以,PRS-AF策略相較于PRS-DF策略可以獲得更優的系統性能.

圖5 不同策略下Uf中斷概率隨SNR的變化曲線(Ωsf=1)Fig.5 Outage probability of Uf versus SNR under different strategy(Ωsf=1)

圖6展示了在BS→Uf鏈路的信道條件優于Un→Uf鏈路信道條件的情況下,本文中繼選擇策略與傳統中繼選擇策略的比較.此時,對于協作NOMA模型的參數設置如下:Ωsf=10、Ωsn=5、Ωnf=1,Un→Uf的信道條件明顯差于BS→Uf鏈路.由圖5可知,當BS→Uf信道條件變好時,IHDAF、HDAF、Max-Min中繼選擇策略下的中斷性能都有所提高,這是因為此時,Uf接收信號主要由基站到遠端用戶鏈路上傳輸的信號起作用.除此以外,相較于圖5,PRS-AF策略與PRS-DF策略的曲線逐漸重合,由此可見,BS→Un鏈路信道條件的好壞對于在PRS-AF策略下用戶中斷概率影響較小,而對PRS-DF策略影響較大.另外還可以看出,無論在何種條件下,本文策略都要明顯優于傳統策略,特別是IHDAF中繼選擇策略始終能夠實現更佳的系統中斷性能.

圖6 不同策略下Uf中斷概率隨SNR的變化曲線( Ωsf=10)Fig.6 Outage probability of Ufversus SNR under different strategy(Ωsf=10)

圖7展示了在HDAF和IHDAF中繼選擇策略下遠端用戶的中斷概率隨傳輸速率閾值的變化情況,此時固定發射信噪比為15dB.從本文推導表達式的解析值可以看出,在發射信噪比一定的情況下,隨著傳輸速率閾值的增加,中斷概率會明顯升高,且在HDAF策略下中斷概率上升的幅度也會略大于IHDAF策略.另外也不難看出,無論目標傳輸速率為何值,IHDAF策略都能比HDAF策略得到更好的系統性能.

圖7 Uf中斷概率隨傳輸速率閾值的變化曲線Fig.7 Outage probability of Uf versus transmission rate threshold

4 總 結

本文在以近端用戶充當中繼的多用戶協作NOMA系統下,提出了基于HDAF和IHDAF協議的中繼選擇策略,分別推導和分析了兩種策略下的系統中斷性能.仿真結果表明:1)不論在何種信道條件下,相比于傳統的中繼選擇方法,本文所提策略都能大幅度降低系統中斷概率,特別是IHDAF中繼選擇策略始終可以實現最佳的中斷性能,但隨之計算復雜度也會升高;2)通過提高發射機發射功率和增加中繼數量都可以有效地提升系統中斷性能;3)系統中斷性能會隨著預先設定的傳輸速率閾值的升高而變差.