网络编码多址接入下行链路系统中的功率多样化多用户框架

何敏 程旗 汪小林

四川九洲电器集团有限责任公司 四川 绵阳 621000

1 介绍

为了应对日益增长的无线容量需求，提出了非正交多址接入协议（NOMA），并将其视为第五代（5G）无线网络中很有前景的频谱高效利用的方法之一[1-2]。典型的NOMA技术允许多用户以不同的功率共享同一资源块从而提高通信系统的频谱效率。为了进一步提高吞吐量性能，提出了一种新的NOMA架构，称为网络编码多址（NCMA）[3]。与利用连续干扰消除（SIC）的传统NOMA不同，NCMA将物理层网络编码（PNC）与多用户解码（MUD）结合起来执行并行解码[4]。传统的NCMA方案只考虑了低阶调制，只能用于上行场景，限制了NCMA的部署。之后，相关学者又提出了一种增强的符号级解码器[5]，它保留了比特之间形成的相互关系，将 NCMA 推广到高阶调制。

为了提高远程用户的通信性能，提出了一种基于NCMA的协调直接中继传输（CDRT）方法。尽管许多研究人员将注意力集中在 NCMA 上，但以下问题仍未得到很好的解决：①下行NCMA研究不足，与研究充分的上行 NCMA 系统相比，只有少数文章专注于下行场景，尤其是多用户下行NCMA；②非通用多用户设计，现有的多用户NCMA方法需要针对不同的用户数制定相应的PNC解码规则，不利于多用户系统；③以用户为中心的设计：为了在没有频道信息的情况下实现用户平等，在之前的 NCMA 研究中采用了典型的以用户为中心的方法（功率平衡设计）。然而，在实践中，由于潜在的内容多样性，消息可能具有不同的优先级。以用户为中心的方法可能无法实现最大的吞吐量性能。

在本文中，我们在NCMA下行链路中提出了一种功率多样化的多用户架构，称为PD-NCMA。更准确地说，我们考虑具有两个阶段的以内容为中心的动态多用户框架。 在第一阶段，根据内容级别对用户进行成对动态分组。（第一阶段动态聚类的考虑是双重的。第一方面是以内容为中心的设计可以利用实际案例中潜在的内容多样性。此外，每个组中的用户都可以直接使用传统的NCMA接收方案而无须特定修改。）与传统的功率平衡 NCMA (PB NCMA)和基于相位旋转的 NCMA（PRNCMA）不同，第二阶段采用功率分集设计，因为它显著提高了 MUD 性能，即对提高吞吐量至关重要。

2 多用户NCMA下行链路系统

2.1 系统模型

考虑图1中由M个用户和1个基站（BS)组成的下行链路系统。M个用户设备被设计成集群。每个集群包含两个或一个用户，而每个设备只能在一个集群中。因此，，其中是一个ceil运算符。假设基站的总功率预算是，且簇间功率相等。因此，集群i的功率满足。此外，频率块被分集正交地占据。因此，分集间的影响可以忽略不计，可以在任何分集中采用传统的NCMA（或提出的PD-NCMA）方法。

图1 多用户NCMA下行链路结构

2.2 PD-NCMA的信息处理

在不损失通用性的前提下，选择一个随机分集i（i=1,2,...）来描述PD-NCMA方案。两个不同的用户设备分别由A和B表示。

一个完整的PD-NCMA下行链路传播包括PHY层和MAC层处理。在集群i中用表示用户的MAC层的大消息。假设在MAC层考虑Reed-Solomon(RS)Code，将消息编码为多个包，其中，然后进一步对进行信道编码为，并在物理层调制成。两个用户设备采用相同的调制阶数，采用相同的卷积码作为PHY层信道码。与传统的NCMA算法不同，提出的PD-NCMA算法在没有信道信息的情况下对两个用户的底层信号分配不同的功率。在分集i中用表示分配给用户s的功率。的叠加信号可以表示为：

在集群i中用户s的接收端接收到的信号为：

3 PD-NCMA中的动态聚类和功率分配设计

在本节中，我们提出了PD-NCMA下行链路中的两阶段动态框架。

3.1 以内容为中心的聚类

在传统的NOMA系统中，信道条件较好的设备将分配较少的功率。这种以用户为中心的设计的主要目的是最大化总和速率。因此，它要求一个集群中的用户设备的信道条件有足够的不同。与NOMA系统不同，我们在PD-NCMA 中考虑以内容为中心的设计。功率分配将根据消息优先级进行动态调整。此外，我们会为具有较高消息优先级的用户分配更多的权力，以确保他们的通信性能。换句话说，每个集群中的消息级别差异需要足够大。

由于正在传输的内容的潜在多样性，我们按照优先级（级别）的降序对所有N用户设备的消息进行排序。用r1≥r2≥…≥rM表示排序后的结果，其中rm=M-m+1,m=1,2,…,M表示消息级别。（即，r1=M是最高消息优先级，rM=1是最低消息优先级。）为了将更多的权力分配给高优先级的消息，我们提出了一种微分聚类方法。

方法1：考虑了两种情况，如果M是偶数，首先对用户进行排序，分为2组：{r1,r2,...,rM/2}和{rM/2+1,rM/2+2,...,rM}。然后具有消息优先级ri的用户设备形成具有rM/2+i,i=1,2,...,M/2的集群（即消息优先级为r1的用户设备以rM/2+1形成一个簇。）如果M为奇数，则首先将用户排序并分为2组：{r1,r2,...,r(M-1)/2}和{r(M+3}/2,r(M+5)/2,...,rM}。然后具有消息优先级rm的用户设备形成一个集群，具有r(M+1+2m)/2,m=1,2,...,(M-1)/2。优先级为r(M+1)/2的设备构成一个单用户集群。

3.2 动态功率分配

考虑集群i中的功率分配问题，我们假设消息优先级较高的用户是A，另一个是B。A和B的消息优先级可以分别表示为riA和riB。

由于每个组内的用户具有不同的消息优先级，我们提出了一种基于优先级的动态功率分配策略。每个集群中的高优先级用户将被分配更多的权力，如下所示：

其中：s∈{A, B}, i= 1, 2, ..., N, Pi表示集群i的总功率。不失一般性，如果用户形成单个用户集群，则该用户将被分配一个集群的总功率。

3.3 复杂性分析

计算复杂度来自两部分。在设备聚类部分，采用快速排序算法对用户进行排序，对应的计算复杂度O（Mlog2M）。对于动态功率分配，计算复杂度主要由（3）式决定，即少量的乘法和加法。与设备聚类部分相比，功率分配带来的计算复杂度可以忽略不计。因此算法的计算复杂度由快速排序O(Mlog2M) 决定，其中M表示用户总数。显然，所提出的方法具有较低的计算复杂度。

4 仿真结果

在下面的实验中，我们说明了在PD-NCMA下行链路中提出的两阶段动态框架的数值结果。我们还将PD-NCMA与传统的PB-NCMA和PR-NCMA进行了比较。我们采用PD-NCMA来表示所提出的设计。类似地，引入PR-NCMA来表示相位旋转为45°的PR-NCMA方案。

我们考虑在瑞利信道中有7个用户的NCMA下行链路系统。所有用户设备共享相同的RS码参数L=9。此外，所有用户均采用[133,171]8卷积码。集群之间的权力是平等的。所有结果都是6000次蒙特卡罗模拟的平均值。对于MUD解码器的BER性能，每次模拟都是来自所有集群的用户A（或B）的平均值。 由于PNC解码器对XOR数据包进行解码，因此PNC解码器的每次模拟都是来自所有集群的用户A和B的平均值。每个模拟中NCMA系统的总吞吐量定义为

其中LA（LB）是用户A（或B）恢复一个MAC层消息的理论小包数。因此LA（LB）等于RS码参数L=8。NA（NB）表示用户A（或B）的MAC层消息的总数。SA（SB）表示用户A（或B）恢复所有MAC层消息的实际小包总数。

首先，让我们关注集群中高优先级用户的MUD性能。PDNCMA和PR-NCMA的性能明显优于PB-NCMA。由于用户A和B的相同星座点的叠加严重影响了MUD检测器，因此传统的PBNCMA几乎无法工作。PR-NCMA通过人为引入相位旋转，缓解星座点叠加，有效提升MUD性能。此外，提出的以内容为中心的PD-NCMA采用了差异化的功率配置。具有高优先级的消息用户被分配更多的功率来提高MUD性能。很明显，PD-NCMA优于其他算法，这也表明以内容为中心的设计显著提高了性能。

PD-NCMA和PR-NCMA的PNC性能都显示出退化，因为不同XOR 星座的最小距离减小了。然而，由于MUD的巨大改进，PNC解码器的性能下降对整体性能的影响可以忽略不计。这也可以在吞吐量仿真中得到验证。

PD-NCMA的整体吞吐量性能远高于PB-NCMA和PRNCMA，尤其是在中低SNR范围内。总体而言，PD-NCMA可以显著提高吞吐量。

5 结束语

在本文中，我们提出了NCMA下行链路系统中的多用户架构，并提出了一种基于内容的PD-NCMA方法。我们第一次利用潜在的内容多样性来执行用户聚类并在NCMA中分配功率。仿真结果表明，所提出的以内容为中心的设计与传统的 PRNCMA和PB-NCMA 相比具有良好的性能。