5G通信网络中基于BAT算法的NOMA系统功率分配方法

【摘要】    由于無线通信系统中频谱资源的稀缺性，优化资源分配的需求日益增加。非正交多址接入（Non-orthogonal multiple access，NOMA）被认为是第五代移动通信网络（5G）的一种理想的多址方案，其特点是频谱效率高，容量大，能为用户灵活的配置无线资源。本文提出一种NOMA系统下的资源分配方案，目的是使系统的吞吐量最大化。将资源分配问题分成两个子问题：用户信道分配问题和功率分配问题，提出一种基于BAT算法的最优功率分配方案。将提出的方案与基于粒子群优化的功率分配方案和随机功率分配方案进行了比较。仿真结果表明，我们提出的方案在提高小区吞吐量方面表现更优。

【关键词】    5G    NOMA    信道分配    BAT算法    功率分配

引言：

第五代无线通信网络 （5G）需要低延迟、高可靠性、用户的大规模连接性，并在资源分配方面提高公平性[1]。NOMA维护了用户的公平性，同时为频谱稀缺问题提供最佳解决方案。此外，在下行链路NOMA中，在发射机处执行叠加编码，而在接收机处执行串行干扰消除（Successive Interference Cancellation，SIC），将不同用户的信号分离、解调。因此，NOMA提高了系统的频谱效率和性能[2]，是5G网络中最有前途和最重要的技术。

一、系统模型

假设我们的模型是一个单基站单天线系统，共有N个用户，K个子信道。系统总带宽为B，将总带宽平均分给K个子信道，则每个信道的带宽为B/K。让第n个用户占据第k个信道，n∈（1，N），k∈（1，K） 。基站向每个子信道上发送分配在该子信道上的用户的NOMA叠加信号。由NOMA协议可以得到，发射端，从基站发送到第n个用户的叠加信号y1为：

（1）

其中，假设子信道k上分配的用户数为Mk，由基站发射的传输信号由sn表示。pk表示第k个信道基站的传输功率。ak，n表示第k个信道上第n用户的功率分配系数。

接收端，在第k个信道上第n个用户处接收到的信号y2可以表示为：

（2）

其hk，n为第k个信道上第n个用户的信道增益系数。zk，n是均值为0，方差为的加性高斯白噪声。假设hk，n遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，hk，n越大表示信道条件越好。定义第k个信道上第n个用户的信干噪比SINR为：

（3）

其中表示噪声功率，并假设有完美的无差错解码，即SIC在解调用户信号时无差错，可实现的传输速率为：

（4）

为了使NOMA系统的吞吐量达到最大，可以将优化问题建模为：

（5）

（6）

（7）

（8）

（9）

（10）

其中xk，n是用于信道选择的二进制变量，xk，n=1表示第k个信道由n个用户共享，否则xk，n=0。

我们的目标是优化我们的下行NOMA网络的总体吞吐量。式（6）表示BS在每个下行信道上的传输功率系数之和为1。式（7）表示每个功率分配系数不能为负，式（8）保证了每个用户的最小速率约束。式（9）和式（10）限制每个用户最多被分配一个信道。

式（5）描述了信道选择与功率分配的联合问题。该优化问题为非凸优化问题，复杂度太高。因此，我们将该问题分解为子信道分配和功率分配问题两部分。

二、 信道分配方案

根据NOMA的概念：大量用户被容纳在同一信道上，非正交地共享信道。因此，我们的任务是将最适合的信道分配给特定的用户。对于一个子信道，为了获得该子信道的最大和速率，最优的子信道分配方案是将在该子信道中具有最高信道增益系数的两个用户分配在该子信道中。

分配给用户的信道增益系数遵循|hk，1|2>|hk，2|2>|hk，3|2>…|hk，n|2，这表明在k信道上，用户1比用户2和用户3具有更好的信道条件。信道分配问题只是一个二元线性规划问题，在此不再赘述。

三、功率分配方案

BAT算法是受蝙蝠回声定位捕食行为启发，提出的一种基于迭代优化技术的新型群智能优化算法。在本节中，我们利用BAT算法对功率分配问题进行优化。第i个蝙蝠的位置xi被定义为分配给用户的功率。我们的主要目标是通过优化发射功率来提高整个小区用户的信道容量。式（11）表示需要优化的用户的发射功率集合。

（11）

根据式（12）、（13）和式（14），蝙蝠的运动进行更新。其中的f表示蝙蝠寻找猎物的频率。而fmin和fmax依次表示频率的上下界。β表示[0，1]之间的随机向量。第i个BAT的速度和位置分别用vi和xi表示，其中t表示当前迭代数，X*表示到目前为止所建立的当前最佳状态[10]。

（13）

（14）

（15）

当从初始阶段选取当前最优解时，利用随机游动方程，即

（16）

式（11）中At表示所有蝙蝠的平均响度，是[-1，1]之间的随机数。在每次迭代中，响度和发射脉冲频率由下面的等式更新。

（17）

（18）

α∈（0，1），是响度衰减系数。，是脉冲频率增强系数。表示蝙蝠i的初始脉冲频率。

四、结束语

本文讨论了在NOMA系统中，用户的资源分配问题，目的是使系统的吞吐量最大化。将资源分配问题分成两个子问题：用户信道分配问题和功率分配问题，给出了一种基于BAT算法的最优功率分配方案。

作者单位：吕雨桐    内蒙古电力科学研究院

参  考  文  献

[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.