基于非正交多址的电力无线专网技术研究

郑伟军，储建新，程振杰

（1.国网浙江省电力有限公司嘉兴供电公司，浙江 嘉兴 314000；2.北京邮电大学，北京 100876）

0 引言

随着我国工业化和信息化融合的不断深入，无线电频谱供需矛盾日益凸显。一方面随着新兴无线通信业务的不断发展，频谱资源日趋紧张。另一方面，已有的低效遗留系统频谱资源利用效率低下，难以改造。国家无线电管理委员会1991年5 号文规定了将223.025～235.000 MHz 频段（以下简称230 MHz 频段）划分为480 个频点，在每个25 kHz 频点，传统数据传输系统仅提供9.6 kbps 的传输速率[1]，无法满足智能电网等新兴业务高速传输的需求。经过近十年的研发与网络示范，基于LTE 技术的LTE-G 230 系统已通过国家工业与信息化部相关部门鉴定。国家无线电管理委员会于2018 年9 月下发工信部无〔2018〕165号文件，调整了LTE-G 230 系统中223～226 MHz和229～233 MHz 频段的使用规划：“为满足电力、燃气、人防、水务等行业无线数据传输和能源互联网应用需求，将该频段用于采用TDD（时分双工）方式载波聚合、动态频谱共享技术的无线数据传输系统”，同时“鼓励相关行业部门采用共网模式使用223～226 MHz 和229～233 MHz 频段；建网单位应按照公平合理负担和节约资源的原则，为共网部门、单位提供可靠、高质量的业务和应用服务”。

当前电力无线专网无法满足电力物联网未来大规模万物互联的需求。传统正交多址接入方案中，可用正交资源的数量严格限制了可支持用户的最大数量。诸如电力物联网这种大规模连接时，正交多址接入已经严重限制了系统容量。比如，在当前的LTE-G 230 系统中，用于标识一个终端用户的小区无线网络临时标识长度为7 bit，理论上一个25 kHz 频点上仅可以标识128 个用户。而3GPP Rel 15 定义的mMTC 业务需要在一平方公里范围可接入一百万终端[2]。可以看出，当前LTE-G 230 系统的容量与智能电网应用需求存在巨大落差，此问题必须得到有效解决。

同时，快速发展的移动互联网和IoT（物联网）导致了对5G（第五代移动通信系统）的挑战性要求，NOMA（非正交多址接入）已成为设计第五代无线网络接入技术的重要原则[3]，是下一代移动通信网络的候选技术之一[4]。

理论上已表明，NOMA 可以提供更好的系统容量和频谱效率[5]，特别适合这种海量机器类业务场景。与OMA（正交多址）技术相比，NOMA 允许大量用户同时连接到无线网络。同时，已经证明了NOMA 在无线网络的上行链路和下行链路上可以比OMA 实现更大的总吞吐量和更高的公平性。

1 非正交多址技术

NOMA 方案基本上可以分为两类： 功率域NOMA 和码域NOMA。在功率域NOMA 中，不同的用户根据其信道质量被分配不同的功率电平，而相同的时频码资源在多个用户之间共享。在接收机端，功率域NOMA 利用用户的功率差异，以便基于SIC（连续干扰消除）来区分不同的用户[6-7]。对于功率域NOMA，当前研究热点在于多用户功率分配[8]、NOMA 与MIMO（多输入多输出）系统的结合[9]、多小区网络中NOMA 系统[10]和用户配对[11]等问题。用户配对技术对功率域NOMA系统性能影响较大。

用户配对技术是影响NOMA 系统性能的重要因素。在NOMA 中，用户配对和用户之间的最佳功率分配需要复杂的算法，以使用最少的资源来提供最佳性能[12]。Zhang H 等人研究了NOMA异构网络中的能量效率问题，并指出配对问题是一个有挑战的关键问题[13]。Shahab M B 等人分析了蜂窝网里远端用户比近端用户多的场景下用户配对策略，以优化使用频谱获取最大频谱效率[14]。Yang Z 等人研究了下行NOMA 系统的功率控制和每个子载波上的用户分簇问题，综合考虑系统的发送功率和译码功率，以达到最小化功率消耗的目的[15]。Cheng Y 等人研究了多信道多用户NOMA 系统中联合用户配对和子信道分配策略，以最小化用户的中断概率[16]。Zhang X Y 等人提出了基于爬山搜索和模拟退火的方法用于用户配对[17]。Liang W 等人在下行NOMA 网络中提出了一种分布式匹配算法，旨在根据用户的目标速率要求优化弱用户和强用户之间的用户配对和功率分配，并设计了一种使用自适应Turbo 网络编码调制方案，提高了系统吞吐量[18]。Daniel K.C.So等人提出了一种垂直配对的概念和分级的功率匹配过程，将用户分为两组，从而应用封闭形式的功率分配解决方案[19]。Zhu L 等人研究了下行NOMA 系统联合用户配对和功率分配问题，给出了保证用户最小速率条件下最大化系统速率的方法[20]。

以上这些研究基本上是在5G 高频段情况下开展的研究。230 MHz 电力无线专网使用的是窄带离散频段。对于230 MHz 电力无线专网如何利用非正交多址技术，当前仍没有文献进行论述。

2 网络模型与问题描述

2.1 网络模型

本文研究在230 MHz 电力无线专网中的多用户终端接入问题。考虑到接入时每个终端必须具有最低数据速率的QoS（服务质量）需求，对NOMA 网络下行链路传输过程中用户配对和功率分配的问题进行了建模。

考虑一个小区中有一个BS（基站）和N 个随机分布的用户的下行链路蜂窝网络。单个基站将信号发送到由Nuser={1，2，…，N}表示的一组移动用户，基站和用户均装备一根天线（即单输入单输出模型），基站和用户间的信道条件为平坦衰落信道。系统共有K 个子信道，每个子信道的带宽由B 表示。基站的总发射功率为ptot，每个子信道分配的功率为pk，以发射功率向第k 个子信道上中第n 个用户发送信息sk，n，设有mmax个用户复用在子信道k 上，则BS 在第k 个子信道上发送的叠加后的信号为：

式中： xk，n为1 时表示用户n 分配在子信道k 上，为0 则表示用户n 未分配在子信道k 上。因此，在第k 个子信道上，用户n 接收的信号可表示为：

式中： 第k 个子信道上的用户n 与BS 之间的信道增益系数hk，n=gPL-1（d）；g 为平坦衰落信道增益；d 为用户n 与基站之间的距离；PL（g）代表路径损耗函数；Ni表示加性高斯白噪声。在接收端，采用SIC 技术，对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，再对剩下的用户再次进行判决，这样循环操作，直至消除所有的多址干扰。

根据香农公式，用户n 在第k 个子信道上的吞吐量为：

式中： N0表示噪声的功率谱密度；代表在第k 个子信道上，比用户n 具有较高信道增益的其他复用用户对用户n 的干扰。则子信道k 中的总吞吐量可表示为：

2.2 优化问题描述

本文研究是为在保证用户最低数据速率的QoS 需求下，最大化系统频谱效率问题，目标函数可表示为：

式中： 约束条件1 和2 对用户分配的功率进行了限制；约束条件3 保证了复用在子信道上的用户数最大为mmax；约束条件4 规定了每个用户最低数据速率的QoS 需求。

3 基于匹配理论的用户配对方案

匹配理论是一种有效的技术，可以通过使用参与者的个人信息和他们的偏好情况来解决在两个不同集合中的玩家的匹配组合问题，目前已有很多从理论和实践的角度分析双边稳定匹配问题的研究。

为减少SIC 接收机解码的复杂度，本文在测试验证时，每个子信道上最多可复用2 个用户，即mmax=2。在NOMA 场景下，在一个子信道中，设功率分配因子为α（α 的取值范围应为[0，1]），信道条件较好的用户1 的速率为R1，与基站的距离为d1，则其发送功率为αpk，信道条件较差的用户2 的速率为R2，与基站的距离为d2，则其发送功率为（1-α）pk。

记用户1 和用户2 的和速率为R，即R=R1+R2，R 是关于变量α的表达式，令R 对α 进行求导：

假设N 个在基站周围随机分布的用户，计算每个用户的信道状态信息，根据信道条件进行降序排序，将N 个用户分为多个2 用户集群，信道条件优的用户集群由Sstrong集表示，而信道条件差的用户集群由Sweak集表示，以此构建二分图。在保证用户最低速率QoS 的前提下，依次计算Sstrong集和Sweak集中的用户两两配对时的功率分配情况（即α 值）及二者的和速率最大值。使用KM 算法作为配对的规则，以两用户的和速率作为二分图中边的权重值，确定最终Sstrong集和Sweak集中的用户配对结果，使得最终的系统频谱效率达到最大。

为简化子信道间功率分配，本文将基站总功率平均分配给K 个子信道，则每个子信道k 上复用的用户功率之和为pk=ptot/K。

4 仿真与结果分析

4.1 仿真参数

本文考虑具有单基站的小区，基站和用户均装备单根天线，基站和用户间的信道条件为平坦衰落信道，N 个用户随机分布在距离基站50～5 000 m 的位置，每个子信道的带宽为25 kHz。假设总的用户数N 为偶数。若N 为奇数，则某个子信道上只有一个用户。子信道的数目为N/2。仿真参数如表1 所示。

表1 仿真实验参数

4.2 结果分析

根据国家工信部无〔2018〕5 号文件要求，230 MHz 基站每端口每载波输出功率不高于30 dBm/25 kHz，每端口输出功率不高于44 dBm。先评估10 个终端用户在不同发射功率下的频谱效率，再评估基站总功率44 dBm 时不同终端数下的频谱效率。所有仿真实验结果均在单小区内，用户随机分布，独立进行100 次测试后获得平均值，以获得统计结果。

用户最小数据速率为20 kbps 时的仿真结果如图1 所示，用户最小数据速率为30 kbps 时的仿真结果如图2 所示。实验中，终端数为10 个。采用NOMA 技术的终端每两个配对，工作在同一个25 kHz 频点上，共使用125 kHz 频带。采用OMA 的终端单独占用一个频点，共使用250 kHz频带。基站发射功率在各频点平均分配。从图1和图2 可以看出，随着发射功率的增加，基站下行容量持续增长。但频谱效率方面，采用NOMA技术的终端始终高于采用OMA 技术的系统。

图1 频谱效率（10 用户，最小速率要求为20 kbps）

图2 频谱效率（10 用户，最小速率要求为30 kbps）

当固定基站发射总功率为44 dBm 时，随着用户数的增加，用户最小数据速率需求为20 kbps 时系统频谱效率的比较情况如图3 所示，用户最小数据速率需求为30 kbps 时系统频谱效率的比较情况如图4 所示。采用NOMA 技术的230 MHz 通信系统，在频谱效率方面远高于采用OMA技术的系统。需要说明的是，当终端数增加后，单个载波上分配的发送功率下降，造成频谱效率的降低。在终端数持续增加超过230 MHz 频带的可用频点数时，采用OMA 方式的系统需要采用时分复用方式。而使用NOMA 技术的通信系统，在复用维度上增加了功率域复用，支撑用户数将呈倍数增加。如果在一个频点上复用更多用户，支持用户数将成比例倍增。当然，这将对SIC 技术的复杂性提出更高的要求。

图3 频谱效率（基站功率44 dBm，最小速率要求为20 kbps）

图4 频谱效率（基站功率44 dBm，最小速率要求为30 kbps）

5 结语

本文针对下行链路NOMA 系统，在LTE-G 230 系统的环境下，提出基于匹配理论的用户配对方案，实现用户与用户配对，并能保证用户最低速率的QoS 需求，同时，与传统的正交多址接入技术相比，可以为LTE-G 230 系统提供更好的频谱效率，有利于当前LTE-G 230 系统应对电力物联网海量用户应用的需求。