上行链路NOMA系统资源分配优化算法

周煜 黄学军

摘 要：针对应用非正交多址接入（NOMA）的上行通信系统，为了保证用户服务质量，尽可能提高系统传输速率，通过限制每个子带中复用用户数量以及每个用户可占用子带数，提出一种子带和用户分配的优化算法。同时，还提出一种功率分配方案以最大化系统和速率，并利用KKT最优约束条件求出问题最优解。仿真结果表明，该方案保证了一定的用户公平性，同时系统传输速率性能优于传统多址接入系统。

关键词：上行链路;非正交多址接入;子带分配;功率分配

DOI：10. 11907/rjdk. 182212

中图分类号：TP312文献标识码：A文章编号：1672-7800（2019）003-0073-05

0 引言

随着无线通信技术快速发展，频谱资源变得越来越紧缺。智能终端普及和多种新型数据业务发展促使新一代移动通信系统5G成为通信领域研究热点。非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）作为5G关键技术已被纳入ATSC 3.0规范[1]。文献[2]提出与当前4G通信系统相比，下一代（5G）无线通信网络应该在覆盖范围、吞吐量、频谱效率和用户体验方面显著改进。

正交多址（OMA）架构已在4G系统中被广泛采用，其每个子频带仅分配给一个用户，以便用户间不相互干扰[3]。在NOMA系统中，多个用户可以被分进同一组，并能同时共享相同子带[4]。上行NOMA与下行NOMA有很大不同，在上行链路NOMA中，多个发射机（UE）在相同无线电频谱（子带）上非正交地发射到单个接收机（BS），每个UE以最大发射功率或受控发射功率独立发射其信号。与OMA系统相比，NOMA已被证明可以实现更好的系统容量，并提高频谱效率，但仍面临着挑战[5-6]。虽然资源分配问题已经在OMA系统中得到了广泛研究，但是对于NOMA系统来说，子带、用户和功率分配问题并没有得到解决。

下行NOMA系统研究已经广泛开展，而对上行系统的研究则较少。文献[7-9]研究了下行链路用户配对问题，其中公平性问题是研究重点[10]。文献[11]提出，如果没有为每个上行NOMA用户选择适当的目标数据速率，用户将总是处于中断状态。文献[4]、文献[12]研究了上行NOMA系统中不同子带的分配策略。前者旨在最大化总和速率，并选择具有更好信道条件的用户。每个用户在所有子带上执行注水算法，并计算每个子带上的用户速率，基站根据贪婪原理为L用户分配可达到最佳数据速率的子带。然而，每个用户使用子带的数量没有被限制，并且信道状况差的小区边缘用户不能保证被分配到子带。文献[13]介绍了上行链路多天线系统，分析了集合选择和功率分配方案，并且在信道条件差的用户之间假定发射功率相等。

本文主要研究上行NOMA系统中子带、用户以及功率的分配问题，在文献[4]基础上限制每个子带上复用的用户数目（L）和每个用户可以占用的子带数（Ns），得到一种优化资源分配算法，并提出一种新的功率分配方案，尽可能提高系统传输速率，通过KKT最优约束条件求出问题最优解。仿真结果表明，所提方法的性能优于同场景文献[4]方案。

1 系统模型

假设在蜂窝上行链路传输系统中有K个用户，并且每个用户配备单天线，系统分为N个子带，总带宽为[WT]，每个子带的带宽为[WSC=WTN]。为了提高频谱效率，可以将子带分配给具有更好信道系数的L个用户，但接收机的复杂度也随着每个子带上用户数L增加而增加。由于L个用户在同一个子带内相互干扰，因此在基站侧，每个子带独立进行L多用户检测。

2 资源分配算法

基于式（4）中的问题描述，本文通过约束系统中子带数N、每个子带上允许共用子带的用户数L以及每个用户允许使用的子带数[Ns]，提出一个资源分配优化算法。定义[gk，n=hk，n2σ2]，算法包含两个主要步骤。

3 功率分配策略

为了减少用户之间的干扰并最大化系统总和速率，合理的功率分配策略非常必要。假设子带n中有L个用户，其中[hk，n2=γk，n]，且令[γk，nγk+1，n，？k=1，2？，（L-1）]。每个用户的发射功率为[Pk，n]，则子带n的传输速率为：

上述是2个用户复用在子带中的求解，子带分配完成后，在每一个子带上执行该功率分配方案，直到每一个用户都被分配到合理的功率。理论上该方案也可以满足L用户的情形，需进一步研究。

4 仿真结果及分析

本文用Matlab 軟件对子带分配及功率分配方法进行测试仿真，信道条件选择瑞利衰落信道，基站位于小区中心，小区半径为1 000m。噪声功率谱密度为-174dBm/hz，系统总带宽为4.32Mhz，用户距离基站的距离为d，路径损耗由式（22）给出。

假设系统中用户数为K，子带数N为30，为了简便，令每个子带允许复用的最大用户数L与每个用户允许使用的子带数NS相等，但改变其数值以得到仿真结果进行比较。设定两种情形：情形1，位于靠近小区中心的用户数为[13K]，边缘用户数为[23K];情形2与此相反。从图1中可以看出，用户速率峰值随着L和NS的不同组合而改变，情形1中，当L=NS=3时速率达到峰值;情形2中，当L=NS=2时速率达到峰值。由此可以得出，当边缘用户数占比不同时，使系统和速率最大化时的L与NS的组合不同。

5 结语

有效的用户分组方案和功率分配方案是实现成功NOMA系统的关键。本文对系统和速率与系统公平性、L与NS之间对应关系有了更深认识，根据小区中心用户与边缘用户的比例以及信道系数，改变L和NS，可以影响系统和速率与公平性。研究发现，当NS=1时，系统可达到最大和速率，而系统公平性却随着NS的增加而增加。因此，本文通过限制NS防止边缘用户不能被分配到子带，保证了边缘用户的最低速率，同时也利用KKT条件，得出使系统和速率尽可能最大的功率分配方案。仿真结果表明，性能与文献[4]的资源分配方案相比有显著提高。此外，SIC中的错误传播可能会大幅降低NOMA性能，因此本文仅考虑2个用户共用同一子带资源的情况。随着SIC技术发展，多用户共用同一子带资源的高效NOMA方案也将得以实现，将是今后研究重点。

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（責任编辑：何 丽）