反向散射中基于载波索引的混合NOMA方案

李世宝，陆 锐

(中国石油大学(华东)海洋与空间信息学院，山东 青岛 266580)

0 引言

反向散射设计网络容量低,是因为在单载波调制方案下频谱效率低,标签独占频谱资源[1-3]。为提高频谱效率和大规模商业化部署,将多载波与NOMA结合是重要研究方向[4]。在反向散射NOMA系统中,将近区最弱的信号节点与远区最弱的信号节点配对可以有效提升解码效率[5],因此基于远近配对的反向散射系统得到广泛研究。

然而,反向散射系统存在由路径损耗引起的双重近远效应[6],使得距离能量源更远的反向散射设备(Backscatter Devices,BD)接收的无线能量比较近的BD少得多。这导致边缘用户无法获取足够的功率以达到解码所需信干噪比(Signal-to-Interference-Noise Ratio,SINR),甚至无法激活通信设备。现有的研究中,使用IRS改变信道环境[7]、中继转发[8]、调整基站的发射功率[9]等方式,帮助小区边缘用户与基站通信,增加了边缘反向散射传感器数量,然而多载波调制的高功耗问题依然没有解决。

考虑到边缘用户的处理能力、能源等约束,可以将具有索引调制(Index Modulation,IM)的OFDM应用于物联网设备的上行通信[10]。因为IM的能量效率优势,基于能量均衡的BackCom系统可能会成为未来主流的通信方式[11]。现有的支持BackCom的IM方案是在空间中借助天线索引进行[12-13],通过激活不同天线携带索引信息,基于OFDM-IM的反向散射并没有被研究[11]。由于OFDM-IM中有源子载波的稀疏性,将OFDM-IM与NOMA结合实现多址接入是可行方案[14]。

本文考虑无源反向散射网络上行链路的传输,研究了具有服务质量(Quality of Service,QoS)要求的混合NOMA通信方案。将IM技术引入反向散射NOMA系统,借以改善NOMA边缘用户QoS。针对远端设备能量供应不足的问题,提出了单子载波激活的OFDM-IM方案。利用单载波激活的OFDM-IM不需要逆快速傅里叶变换的特性,降低BD反射激活通信所需门限,提高了远距离用户接入数量。

1 反向散射系统模型

本节给出了BD结构和能量传输模型,并演示了NOMA远近配对方案,并在图1中描述了大规模反向散射通信的系统模型。

(1)

在反向散射通信上行链路中,采用远近头对头匹配的方式完成NOMA配对。假设小区内有M个设备且M为偶数,基站将BD按照接收功率大小进行降序排列,表示为{BD1,BD2,…,BDM}。将M个设备根据接收功率中值平均分为近端用户组BDNU和远端用户组BDFU,可得:

(2)

2 混合IM-NOMA方案

2.1 OFDM-IM

(3)

比特经由每个BD发送。当ku=Nu时,系统由OFDM-IM退变为传统OFDM调制,当ku=1时,系统则称为单载波IM。对于每个BD的OFDM-IM信号是由Iu(ξ)和qu(ξ)共同创建。

对于一个远近配对的NOMA对,距离射频源节点近的设备可以获取到足够的能量,因此可以实现OFDM的调制方式,即ku=Nu。现有的研究中,实现的OFDM反向散射系统并不能灵活地进行载波能量分配[16],认为设备反射的OFDM个子载波之间为等功率。近端设备调制子载波并形成频域信号Xu(k)。随后,Xu(k)通过IFFT为时域信号,如下所述:

(4)

考虑到无线能量传输随距离衰减,BDFU获取的能量衰减严重,而传统OFDM-IM的创建需要相对耗能的数字运算,导致BDFU无法成功激活OFDM反向散射。在本文中,研究了单载波激活的OFDM频率索引方案,即ku=1。因为它具有较低的峰均功率比,并且与传统OFDM-IM相比,不需要在设备上进行IFFT。设备由一个单边带模块以及相应的时钟和处理核心组成,极大地降低了多载波调制所需的功率门限。

远端设备通过控制时钟频率选择索引Iu(ξ)产生频率为fIM的方波信号,fIM是BD的OFDM子载波资源块的子集。当BD切换其射频开关以反向散射载波信号时,其实质上使用方波来调制样本的相位。用θn表示产生方波W的相位信息,方波W可以表示为:

(5)

调制后的方波信号与连续正弦波相乘,产生反向散射符号。对于一个IM资源块,反向散射样本可以通过将环境载波Sn与方波的一次谐波相乘计算:

(6)

值得注意的是,激励子载波通过BD的调制和移位,会产生对称的2个边带。如HitchHike[17]所述,通过使信号在无用边带的负拷贝,可以很容易地消除无用边带。

由于OFDM-IM向每个用户分配一组副载波,因此系统中可以服务的用户数量有限。在这种情况下,将NOMA与OFDM-IM结合使用是实现大规模连接的一个非常可行的选择。混合IM-NOMA反向散射技术利用OFDM-IM的能量效率,结合NOMA来完善大规模远距离反向散射的部署,在图2中, 2个用户在相同频率资源上以不同调制方式发送它们的数据,BDNU使用OFDM调制,而BDFU子载波上的符号映射使用OFDM-IM码本。

图2 混合IM-NOMA反向散射频域模型Fig.2 Frequency domain model for hybrid IM-NOMABackCom

2.2 反射系数调节

现有的NOMA反向散射系统中反射系数是固定的,不适合多载波混合调制的场景。根据式(1)可得,在反射系数固定的情况下,固定位置的能量收集也是固定的。由于执行OFDM-IM的BD能耗和OFDM调制的巨大差异,固定的反射系数使得部分边缘节点收集的能量远高于激活阈值,而BD并不具有足够的储能能力,使得BD的能量效率下降。通过灵活地调节反射系数,使得BD的能量收集刚好可以满足通信需求,将有更多的能量将用于反射通信。同时,反射系数的调节也可以保证BDFU信号对BDNU信号的干扰可控。

近端设备的反射系数表示为εNU,远端设备信号的反射系数表示为εFU。所有BD都有有限个阻抗对,并且通过调节阻抗来设置不同的反射系数。解码SINR的阈值被设置为γ。只有当反射信号的SINR大于时γ,信号才能被成功解码。然而,如果强信号不能被成功解码,则弱信号也不会被解码。考虑单个子载波上频域叠加信号的SINR,做出以下限制:

(7)

根据式(7),同时考虑BD激活功率限制,εNU和εFU范围可表示为:

(8)

2.3 信号检测

在本小节中,为NOMA远近配对的BD呈现接收器结构。2个用户的接收可以被写为:

(9)

(10)

基于完美的SIC性能,消除了BDNU信号对BDFU信号的干扰,采用基于ML的检测规则对BDFU信号进行解码,可以联合估计M进制符号和索引携带的数据比特。通过检查发送向量xFU的所有可能性来恢复BDFU的低功率信号:

(11)

3 系统容量分析

因为BDNU直接解调数据,应当考虑远端用户和AWGN二者的干扰。BDNU可实现速率的数学表达式如下:

(12)

另一方面,由于OFDM-IM信号执行基于子块的IM,因此BDFU的速率无法通过直接计算得到。考虑到互信息量,BDFU的可实现速率为[18]:

(13)

式中:I(xFU;yFU|hFU)表示BDFU的信道输入的互信息量,H(xFU|yFU,hFU)是xFU和信道输出yFU的条件熵。注意,式(13)正好是OFDM-IM的频谱效率,以b/s/Hz为单位测量。考虑反向散射的强LoS信道,Eh[H(xFU|yFU,hFU)]仅与射频源和BD之间的距离d呈负相关,式(13)可以简化为:

(14)

4 仿真实验与分析

利用蒙特卡洛方法验证了所提的系统的性能,并将其与参考场景进行了比较。假设阅读器均匀地分布在50 m×50 m的范围内,通过均匀分布的标签解码数量来反映连通性能。表1给出了实验仿真中使用的一些基本参数设置。

表1 实验仿真参数

传统OFDM-NOMA方案由于较高的激活功率门限,容易造成通信中断或反射信号解码失败。然而,提出的方案降低了远端设备激活功率门限,可以保证BD和阅读器之间的通信。从图3可以看出,随着SINR的增加,译码个数和吞吐量逐渐降低。其原因是BD未达到激活门限,或者是反射的信号不满足阈值要求,阅读器无法解码。然而,当阈值的值增加时,弱信号不再被解码。那么,平均解码数目将降低。一旦阈值极大,平均解码数和吞吐量将变为零,即通信中断。可以看出采用混合IM-NOMA的模型在远距离通信解码数量上的优越性。

图3 不同SINR下解码数量比较Fig.3Comparison of decoding number under different SINRs

图4对比了在固定解码阈值情况下,传统方案和所提方案的成功解码个数和系统吞吐量。传统方案由于使用了相对耗能的OFDM传输方式,使得远端用户无法获取到激活所需能量,容易造成通信中断或反射信号解码失败,导致吞吐量和解码性能较差。然而,提出的方案通过引入OFDM-IM解决了多载波覆盖范围降低的问题。同时,通过对每个NOMA对调节反射系数,保证BD和阅读器之间的通信。在γ=8 dB的情况下,随着发射功率的增加,吞吐量和译码个数逐渐增加。这是因为随着发射功率的增强,越来越多的BD可以获取足够的功率,使其可以反射信息并满足阈值要求。

图4 不同发射功率下译码个数和吞吐量比较Fig.4 Comparison of decoding number and throughput under different transmission power

使用型号为赛灵思ZYQN-7000的FPGA进行逻辑模拟,其中调制频率与功耗呈线性关系,计算方法与文献[20]相同。在不使用内存的情况下,在单载波激活的OFDM-IM中,平均功耗为36.18 μW,相比于4个载波激活的OFDM调制功耗为118.42 μW,这得益于部分载波激活使用了更少的逻辑单元和时钟模块。相比于OFDM-NOMA系统,混合IM-NOMA反向散射系统在译码个数方面有着明显的优势,降低了通信中断概率。

在图5中,使用ML接收机的混合IM-NOMA的BER与AWGN信道下针对远近匹配的2个用户的情形的OFDM-NOMA进行比较。BDNU→阅读器和BDFU→阅读器的归一化距离分别为dNU=0.5和dFU=1.0,索引映射采用激活单载波的ODMA-IM,调制类型是BPSK。

图5 反向散射系统误码率分析Fig.5 BER analysis of backscatter systems

可以看出,BDNU在混合IM-NOMA中的BER性能优于BDFU,这是因为近端错误没有被执行完美SIC而在远端叠加。相较于OFDM-NOMA反向散射通信,基于混合IM-NOMA的上行通信方式,在远端设备可以带来更好的BER效果,增加了通信的可靠性。

5 结束语

本文提出了一种新颖的OFDM和OFDM-IM混合NOMA的方案,用于解决反向散射通信中低频谱利用率和能量约束限制。分析了所提方案的性能,并与传统NOMA方案进行了比较,验证了所获得的解码数量和BER增益。该模型可以为未来具有远距离和通信速率需求的反向散射设计和部署提供一个理论上的参考。混合IM-NOMA提供了更好的BER以及其灵活性优点,未来的扩展可能包括研究更有效的方法来减少用户之间的干扰,并将放宽在同一时频资源只服务2个用户的假设,可以同时服务多个用户。