5G中非正交多址接入下功率分配与用户选择算法的研究

贾丽妍 曹睿杭 李晨 张梦 程家贵 扬州大学

1.引言

由于物联网，云服务等的发展，新的业务模型和应用不断涌现，为加快新业务，新应用的开发，第五代移动通信网络( 5G) 的发展有了强大的推动力。作为面向 5G 的关键技术之一，NOMA 系统中的功率分配和用户选择问题近年来引起学术界的广泛关注，不少学者对其进行了深入的研究。现有功率分配算法主要 FSPA( full search power allocation，全空间搜索算法)、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，分数阶发射功率分配算法)。已有的用户选择算法主要有随机选择算法，基于信道差异选择算法和穷尽遍历的用户选择算法。

2.功率分配算法

2.1 FSPA

FSPA通过对候选用户集中的用户遍历所有可能的功率分配方案，从而获得最优的功率分配，实现非正交多址系统的最佳性能。但此方案以较高的复杂度换取最佳的系统性能和速率性能，使得系统开销比较大，故在实际系统中一般不予采用。

2.2 FPA

FPA先将获得调度的用户根据其信道增益降序排列，然后按照预先确定的比例系数确定相邻用户分配的功率。FPA虽然复杂度较低，但是系统性能受功率分配因子的影响较大，且通常不能达到系统的最佳性能。

2.3 IWPA

注水算法是根据注水定理，使得信道自适应分配发送功率，根据信道状况的优劣来确定分配功率的多少，从而实现传输速率最大化。实现功率的 “注水”分配。在以功率信号为信息载体的非正交多址技术中，注水功率分配算法的这一特性既保证系统容量的最大化，又保证了用户的公平性。IWPA可以实现较好功率分配性能，但其存在局部最优及复杂度高的问题。该算法虽然可以获得更好的系统吞吐量，但是迭代过程中考虑了子载波上所有用户，算法复杂度很高。

2.4 FTPA

FTPA算法根据用户的信道增益和系统定义的一个衰减因子进行功率分配，衰减因子越大，分配给较低信道增益用户的功率越高。这种方法在初次分配中忽视了信道的时变特性，是一种次优的功率分配方法。FTPA平衡了低信噪比用户的公平性并且降低了接收端译码的复杂度，但是 FTPA 是局部最优化方案，并且系统性能同样受到所选功率分配因子的影响，因此FTPA方案还有待进一步完善。

2.5 四种功率算法比较

以上四种功率分配的方案，除了全空间搜索算法在实现上比较复杂，其他四种算法都能在工程上实现，并且这三种方案中复杂度为IWPA＞FPA＞FPTA.其中IWPA是性能最优的。FPA算法尽管实现复杂度和FTPA算法差不多，但是其性能较差，综合考虑，FTPA的方案因为性能逼近IWPA方案，且实现复杂度适中，应用在NOMA系统中最为合理。

3.用户选择算法

3.1 随机用户选择算法

随机用户选择算法是一种简单的算法，它的基本思想是在非正交多址系统的发送端分组时，在候选的用户集合中，随机的选择用户分配在子信道上。随机用户选择算法从第一个子信道开始，对小区内的所有候选用户随机的选取并分配。随机用户选择算法的选择思想简单，虽然复杂度很低，但是用户之间选择是随机匹配的，并没有考虑每个用户的信道增益对用户选择的影响，会使得系统性能较差，同时不能保证用户接入的公平性。

3.2 穷尽遍历的用户选择算法

穷尽遍历搜索的用户选择算法，是将空间里所有可能的选择情况列出来，找到能够在用户容量与系统容量之间达到良好折中的叠加用户组合。遍历搜索的用户选择算法，需要对候选空间内的所有用户组合进行搜索和计算，从而选择性能最佳的叠加用户组合，这样充分考虑了叠加用户之间的干扰，可以最大化系统的容量性能。虽然性能优势明显，但该算法的用户迭代的复杂度较高。

3.3 基于用户信道差异的用户选择算法

由于当用户之间的信道差异较大时，会使用户信息在接收端容易分离，根据这一性质，我们可以根据用户信道的差异来进行叠加用户的选择。基于信道差异的选择考虑了叠加用户之间的信道状况，性能相对于随机选择算法有了极大提高，但当信道差异较小时将会影响叠加组合的传输性能。

3.4 比较以上算法

对比以上几种用户选择算法可知，穷尽遍历用户选择可以达到最好的性能，而随机选择性能最差。穷尽搜索的用户选择算法，通过对所有的候选用户组合进行迭代计算，充分保证了用户速率和系统速率之间的良好折中，可以达到最好的系统性能，但是该算法的复杂度也是最高的。

4.结语

本文着重介绍了NOMA系统中的功率分配和用户选择问题，提出了目前已有的功率分配和用户选择算法，并对此进行了分析和概括。5G逐步由新技术探索研究，向标准制定过渡，大量的新技术对提高5G的性能起到积极的作用，而NOMA技术及其相关研究，对5G技术的发展相信会带来积极的促进作用。随着信息社会的发展，5G时代即将到来。

（指导教师：杨睛）