一種基于刪除準則的NOMA資源聯合優化算法

　　引言

　　在4g長期演進（lte）網絡中運用正交頻分多址技術（orthogonal frequency division multiple access，ofdma），每個子信道或子載波在每個時隙中最多只能被一個用戶使用。為應對第五代移動通信（the fifth generation，5g）超大數據流量和海量設備連接需求，非正交多址（non-orthogonal multiple access，noma）技術應運而生。與4g的ofdma技術不同的是，noma技術使得用戶可以在一個子載波上復用，共享相同的頻率資源，從而大大提高了頻譜利用效率。

　　資源動態分配包括用戶配對或聚類組合以及相應的功率分配。合理的資源分配算法可有效降低用戶信號之間的多址干擾，提升系統傳輸速率，因而成為noma技術的研究熱點。根據系統優化目標不同，主要分為兩個方向：

　　（1）在總發射功率受限情況下實現系統總傳輸速率的最大化。針對該目標，文獻[10]提出了窮盡搜索法，可實現理論上的系統總傳輸速率最優，但計算復雜度高，很難應用到實際系統中。文獻[11]提出了一種固定功率分配算法。該算法不考慮用戶當前的信道狀態，僅按照固定的等比數列分配功率，優點是計算復雜度低，缺點是系統總傳輸速率性能不佳。文獻[12]證明了該優化問題是np-hard問題，通過將其目標函數分解為凸函數差，利用連續凸逼近方式迭代求得資源分配的最優解。文獻[13]提出一種應用在全雙工無線通信中的資源動態分配算法。

　　（2）在保證用戶最小傳輸速率要求的情況下最小化發送端傳輸功率以節約發射機消耗。文獻[14]提出了一種單輸入單輸出場景下子載波與功率聯合分配的啟發式算法。文獻[15]的算法基于每個子載波上最多復用兩個用戶，且在子載波上各個用戶的最小傳輸速率相同的場景下提出。文獻[16]依據信道增益進行用戶功率分配，提出一種基于kkt條件的最佳功率分配方式。文獻[17]利用拉格朗日對偶函數放寬單體功率的約束，構建拉格朗日松弛法的子問題，并通過功率離散化及基于動態回話的方法解決優化問題。

　　在現有文獻研究的基礎上，本文對第（1）個方向的問題展開了研究。考慮一個通用的noma系統，該系統既不限制每個子載波上復用用戶數，也不限制子載波上每個用戶的速率分配，提出一種聯合動態分配資源方案，實現在發射總功率一定時最大化系統總傳輸速率的目標。方案的創新點有：①提出一個在固定子載波分配情況下的最佳功率分配方案;②基于最佳功率分配，提出一種刪除準則，除去在子載波上性能價差的用戶，迭代此過程實現子載波分配和功率分配的聯合優化。仿真結果表明，該算法幾乎達到最優解，且性能優于ofdma和傳統的noma功率分配方案。

　　2 算法設計

　　由于目標函數存在非線性表達式，因此op1不是典型的凸規劃問題，需要將其轉化為可解的凸可行問題。因此，首先提出固定子載波分配矩陣下對應的最佳功率分配，然后提出一個低復雜度的算法聯合優化子載波分配和功率分配。

　　2.2 功率分配與子載波分配聯合優化

　　更新功率分配矩陣和子載波分配矩陣后，驗證是否滿足式（23）的迭代終止條件。從用戶角度看，式（28）的刪除規則確保了重要的子載波（速率比高）在迭代中依然被當前用戶使用，這將保證算法收斂到最佳性能。對于每個子載波，最多需要[（k-g）]次迭代，進行[n（k-g）]次功率分配，逐漸收斂到最佳性能。與窮盡搜索算法相比，該算法可行性高。

　　3 仿真結果及分析

　　某中心基站用戶隨機分布在單個小區內的noma下行鏈路傳輸系統，各個子載波信道服從獨立的瑞利衰落。本文信道仿真使用cost231-hata傳播模型，其路徑損耗為[128.1+37.6log10（d）db]，其中d是基站和用戶之間的距離，單位為km，陰影標準偏差設置為[10db]，噪聲頻譜密度為[-174dbm/hz]，子載波間隔為[15 khz]。

　　首先，假設小區用戶數[k=3]和子載波數[（n=8）]，每個子載波上復用用戶限制[（g=2）]，小區半徑為300m。圖1比較了不同算法在提升系統總容量方面的性能。其中，固定功率分配方案是利用本文算法獲得最佳子載波分配之后，在單個子載波上采用固定功率分配算法。由圖1可知，隨著總發射功率的增大，3種方案的系統總傳輸速率也隨之增大。但在同一發射功率處，本文算法系統總傳輸速率明顯大于固定功率分配方案，性能與最優的窮舉搜索法幾乎相同。

　　圖2比較了系統總傳輸速率與小區半徑之間的關系，小區半徑越大信道狀態越差。隨著小區半徑的增加，系統總容量逐漸下降。但是在任一發射功率下，本文算法的系統總傳輸速率均高于固定功率分配算法，再次驗證了其在提升系統總傳輸速率方面的優越性能。

　　為顯示最大復用用戶數g值對系統總傳輸速率的影響，圖3對不同用戶復用限制下（即g的取值不同）利用本文算法進行資源分配的結果進行仿真。[g=1]為傳統的ofdma系統，采用注水算法為用戶分配功率。由圖3可知，g值越大，系統總容量越大。此外，從[g=3]到[g=kk>3]，系統總傳輸速率差異不大，這是因為復用更多的用戶將導致差信道上用戶的cinr更差。因此，復用用戶數g取2或3就可獲得很好的性能，g值越大會使計算復雜度越高。 

　　4 結語

　　本文改進了傳統的noma系統資源分配模型，提出了一種基于刪除準則的資源分配算法。通過子載波分配和功率分配的聯合優化，為noma系統的資源分配提供了一種新途徑。仿真結果表明，與傳統的資源分配算法相比，該算法提高了系統總傳輸速率，可接近最優性能。但本文算法是在單輸入單輸出場景實現的，未來可將該算法應用到多輸入多輸出場景中。

　　參考文獻（略）

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