多用户协作NOMA系统中的最优中继选择策略

周 围,黎婧怡,廖先平,贺 凡

1(重庆邮电大学 通信与信息工程学院,重庆 400065)

2(重庆邮电大学 移动通信技术重庆市重点实验室,重庆 400065)

0 引 言

随着无线通信技术的快速发展,人们渴望更快的互联网接入速度与更大的移动端接入量,具备可靠与高效的无线通信系统是当下和未来的重要发展目标.作为5G无线通信系统中最具潜力的多址接入技术之一,非正交多址接入技术凭借其能够实现更高频谱效率而备受关注[1-4].具体来说,非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术以牺牲接收端的复杂度为代价,允许多个用户共享相同的频谱资源,以此来打破用户资源块之间相互正交的限制,从而获得更大的用户接入量与更高的传输速率.

在NOMA系统中,由于采用功率复用技术主动引入干扰信息会影响用户接收信号的质量,因此,在各用户接收端采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术可以逐步消除叠加信号中其他用户信号的干扰.除此之外,将协作通信技术应用到NOMA系统也可以显著提高信号的传输可靠性,并且相关研究成果表明NOMA技术与协作通信技术的结合可以为更多用户提供服务,显著地提高了小区基站的覆盖率,与此同时,还能大幅度改善小区边缘用户的信号质量[5-8].协作通信在NOMA中的应用主要分为两大类,即中继协作NOMA以及用户协作NOMA,而在多中继系统下的中继选择策略正在被业界广泛研究.Lee等[9]提出了一种在中继处采取放大转发(Amplify and Forward,AF)技术参与协作传输的部分中继选择(Partial Relay Selection,PRS)方案,推导出了用户中断概率的精确闭合表达式.Liran等[10]则是在此基础上将中继的转发技术改为解码转发(Decode and Forward,DF)技术向终端用户发送信号,并采用PRS方案选择最佳中继.Song等[11]以提高系统的中断性能为目标,设计了一种分布式被动中继选择策略,并仿真分析出中继节点位置与数量的变化对系统中断概率的影响情况.Li等[12]在一种非理想硬件特性的单窃听多中继协作NOMA系统下,提出了联合考虑合法信道和窃听信道使目标信噪比最大化的中继传输策略,最终仿真表明所提策略能够有效提高用户的安全中断性能.更有研究结果表明,引入用户中继参与协作传输可以有效地降低成本与功耗.Do等[13]利用近端用户充当中继辅助基站转发信号,并分析了一种基于最佳远近(Best-Near Best-Far,BNBF)用户选择方案下用户的中断概率.Ju等[14]考虑了存在多个时隙的系统传输策略,利用Max-Min原则选择最优与次最优的中继转发叠加信号到用户,特别地是,与传统方案用户只能在偶数时隙接收到信号的方案不同,该文策略能在除第一时隙外的所有时隙内接收到信号.Li等[15]在协作网络中研究了3种最佳中继选择方案.Lu等[16]采用多中继传输,提出了一种基于单源最优路径的中继选择策略,选取多个中继参与协作传输.除此以外,Mohammed等[17]还将协作NOMA技术与认知网络相结合,并联合考虑了中继选择与功率分配两个问题,不仅在满足QoS的基础上,提高了系统性能,而且也实现了较低的计算复杂度.

上述文献及现有关于中继选择的研究中常单独考虑AF或DF协议,但这两种转发方式也有一定的弊端:AF在放大有用信号的同时也放大了噪声,DF则易出现中继无法成功解码信号而导致错误传输的情况.针对以上问题,本文在下行多用户中继协作NOMA系统下,提出了一种基于混合译码/放大转发(Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,HDAF)协议的用户中继选择策略.除此之外,为进一步提升系统的通信性能,引入自动请求重传技术(Auto Repeat reQuest,ARQ),充分考虑基站到远端用户的信道条件,将HDAF优化成为一种研究增强中继的混合译码/放大转发(Incremental Hybrid Decoding/Amplifying and Forwarding,IHDAF)协议,并对各策略下的系统中断性能进行了仿真验证.

1 系统模型

图1 系统模型Fig.1 System model

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其中,ρs为平均传输信噪比,定义为ρs=Ps/σ2;同理,Uf处的接收信噪比为:

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(8)

在Uf端采用SIC技术解码信号,其接收信噪比为:

(9)

(10)

式中,定义ρn=Pn/σ2为平均传输信噪比.

2 中继选择策略与性能分析

2.1 HDAF中继选择策略

HDAF协议的具体思想是,当用户中继能够成功解码出基站发送的叠加信号时,采用DF方式协作转发信号,否则采用AF方式转发.基于该协议的中继选择策略如下:首先将所有中继节点中能正确解码信号的中继用户放入DF候选中继集合中,如式(11)构建出SDF中继子集:

(11)

其中,γ1和γ2为两个用户的SNR判决门限,分别定义为γ1=22R1-1、γ2=22R2-1,R1和R2为Uf和Un的目标速率阈值.接下来,再将未能满足式(11)的中继用户放入名为SAF的中继子集中.

第2阶段,分别在SDF和SAF候选子集中根据接收信噪比最大选出各自的最佳中继,最后,根据式(12)选出最优用户中继:

(12)

因此,上述HDAF中继选择策略的步骤流程如图2所示.

图2 HDAF策略流程图Fig.2 Flowchart in HDAF strategy

当Uf处可获得的信噪比小于所能解码的最小要求信噪比γ1时,系统发生中断.因此,本文将中断事件定义为两种情况:情况1为中继采用DF方式转发信号时,Uf无法成功解码信号xf;情况2则是中继采用AF方式协作时,Uf解码自身信号失败.考虑Uf采用SC方式合并来自基站和最佳中继的信号,其发生中断的概率可以表示为:

(13)

由式(11)可知,假设在M个用户中继中有K个Un可以正确解码信号,则SDF中有K个中继的概率可以表示为:

(14)

(15)

(16)

(17)

对于式(13),可以进一步理解成为两部分:1)有可以成功解码的候选中继时,从SDF的K个中继和SAF的M-K个中继中根据式(12)的中继选择原则选出最佳中继参与协作,此时系统发生中断的概率;2)没有中继可以成功解码,即SDF=φ时的中断概率.所以,第1部分的中断概率可以表示为:

(18)

(19)

(20)

(21)

根据公式(14)、(15)、(19)、(21),所提出的HDAF中继选择策略中断概率的最终表达式如式(22)所示:

(22)

2.2 IHDAF中继选择策略

为了进一步提高系统的中断性能,本节在HDAF协议的基础上,引入增量中继的概念,提出一种基于IHDAF协议的中继选择策略.对于增量中继,假设用户节点到基站和中继链路之间存在一个反馈信道,即如果通过直接链路传输时,目的节点能够正确接收来自基站的发送信号,则向中继发送一个反馈信号,“通知”中继不用参与协作传输.由于中继依赖于基站到目的节点之间的直接链路,其不用始终进行转发,协作阶段变得随机,因此,该策略能够更好的提高系统频谱效率.

除此之外,本策略还引入ARQ机制,存在基站重传叠加信号的部分,则基于IHDAF协议的中继选择过程如下:

首先,基站发送叠加信号到Uf节点,若在第一阶段用户能够成功接收信号,则说明BS→Uf链路之间的信号传输没有发生中断,于是,用户发送代表 “Success”含义的ACK1帧的反馈信号,基站接收到ACK1帧后开始为下一时隙发送新信号做准备,而用户中继Un始终保持沉默,参考式(5),此时用户的接收信噪比为:

(23)

当用户没有正确接收到信号时,就立即发送含义为“Half-Success”的ACK2帧,通知基站进行信号的重传;若基站在一定时间内没有接收到来自用户的反馈信号,则认为直传失败,此时启动ARQ机制,基站重传信号到用户Uf,中继保持沉默,此时用户的SNR表示为:

(24)

由系统模型可知,该策略下的中断过程为:当基站在第2阶段重传失败,采用协作传输时,才会有可能发生中断,即当用户中继根据中继选择原则采用DF或AF转发方式参与协作,并且Uf处的SNR小于所设定阈值γ1时,其解码自身信号失败发生中断.则基于IHDAF协议下Uf的中断概率表示为:

2.3 Un中断概率分析

在引入协作传输时,根据SIC技术原理,Un先对xf进行解码,从接收信号中删除xf后,再对xn进行解码,获得自身所需信号.因此,Un的中断情况由以下两个部分组成:1)Un解码xf失败;2)Un解码xf成功,但解码xn失败.因此,Un的中断概率可以计算成:

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3 仿真分析

本章将通过MATLAB分别对采用HDAF和IHDAF中继选择策略的多用户协作NOMA系统进行性能分析,并将本文所提策略与其他文献策略进行对比研究.因此对于多用户协作NOMA网络模型参数,在没有特别说明的情况下设置为:目标速率阈值R1=R2=1 bit/s,功率分配系数α1=0.8,α2=0.2,发射功率Ps=Pn,中继节点个数M=4.另外,本章还利用蒙特卡罗仿真100万次的结果对各中继选择策略进行了性能分析,每一次仿真都相应产生各节点之间的信道衰落系数,并计算出各节点解码信号的信噪比,按照HDAF策略与IHDAF策略的流程步骤寻找出最优中继参与计算中断概率.除此以外,仿真实验还将100万次的蒙特卡罗仿真结果与本文推导的表达式做对比,以此检验表达式的推导是否正确.

图3展示了在不同用户中继数量的情况下,采用本文所提两种中继选择策略的远端用户中断概率随发射信噪比增长的变化情况.其中,基站到中继的距离dsn=0.3,中继到远端用户的距离dnf=1-dsn,路径损耗指数ξ=3,用户中继数量分别设置为2、4、8个.如图3所示,不管系统采用HDAF还是IHDAF中继选择策略,中断概率的蒙特卡罗仿真结果都与解析结果曲线重合,即验证了表达式推导的正确性;另外,当发射信噪比逐渐增大时,用户的中断性能会逐渐增强;中继数量的增多,也能导致用户中断概率曲线斜率的变大,使得中断概率下降得更加明显,造成这种变化的主要原因是由于随着中继数量的增加,可选择的信道范围得以增加,因而能获得更好的系统性能.由此可知,在协作通信场景中,较高的中继数量可以显著降低系统中断概率,提升系统传输的可靠性.除此之外,提高发射功率同样也可以有效地提高系统中断性能.

图3 不同中继数量下Uf的中断概率随SNR的变化情况Fig.3 Outage probability of Uf versus SNR under different number of relays

图4展示了在不同的信道条件下,Un中断概率随发射信噪比的变化情况.由于本文不考虑Un网络间的内部转发,因此其中断概率与所选中继转发方式无关,仅与BS→Un链路间的信道条件相关.由图4显示,对于近端用户,当Ωsn=6时,系统中断性能最好,Ωsn=3时次之,当Ωsn=1时,系统中断性能最差.由此可知,随着基站到Un链路条件的变好,其中断概率显著下降,例如当中断概率为10-2时,在Ωsn=6的情况下对发射机信噪比的要求相比Ωsn=3情况下对发射机信噪比的要求约低3dB.

图4 Un中断概率随SNR的变化曲线Fig.4 Outage probability of Un versus SNR

图5为当基站到Uf链路的信道条件与Un到Uf信道条件相等时,本文所提HDAF、IHDAF中继选择策略与传统部分中继选择(PRS)[9-10]、最大最小(Max-Min)[14]选择策略的对比曲线.此时,协作NOMA系统的参数设计为:Ωsf=Ωsn=Ωnf=1.可以看出,本文的两种策略在中断性能上都要明显优于传统策略,并且,由于增加了BS→Uf链路信道条件的判断,使得IHDAF协议下的中继选择策略比HDAF策略具有更低的中断概率,如在中断概率为10-4时,IHDAF选择策略相对于HDAF获得了2dB的增益.另外,当中继选取不同的转发方式参与协作时,也会获得不同的效果,PRS-AF策略在各信道链路条件相同的情况下能获得比PRS-DF策略更低的中断概率,使系统中断性能得到了一定的改善,这是因为当采用AF协议进行工作时,即使中继会同时放大有用信号和噪声信号,但远端用户在接收到中继用户转发的信号之后,立即采用SIC技术对大部分的加性高斯白噪声进行消除,以此来获得自身所需信号,所以,PRS-AF策略相较于PRS-DF策略可以获得更优的系统性能.

图5 不同策略下Uf中断概率随SNR的变化曲线(Ωsf=1)Fig.5 Outage probability of Uf versus SNR under different strategy(Ωsf=1)

图6展示了在BS→Uf链路的信道条件优于Un→Uf链路信道条件的情况下,本文中继选择策略与传统中继选择策略的比较.此时,对于协作NOMA模型的参数设置如下:Ωsf=10、Ωsn=5、Ωnf=1,Un→Uf的信道条件明显差于BS→Uf链路.由图5可知,当BS→Uf信道条件变好时,IHDAF、HDAF、Max-Min中继选择策略下的中断性能都有所提高,这是因为此时,Uf接收信号主要由基站到远端用户链路上传输的信号起作用.除此以外,相较于图5,PRS-AF策略与PRS-DF策略的曲线逐渐重合,由此可见,BS→Un链路信道条件的好坏对于在PRS-AF策略下用户中断概率影响较小,而对PRS-DF策略影响较大.另外还可以看出,无论在何种条件下,本文策略都要明显优于传统策略,特别是IHDAF中继选择策略始终能够实现更佳的系统中断性能.

图6 不同策略下Uf中断概率随SNR的变化曲线( Ωsf=10)Fig.6 Outage probability of Ufversus SNR under different strategy(Ωsf=10)

图7展示了在HDAF和IHDAF中继选择策略下远端用户的中断概率随传输速率阈值的变化情况,此时固定发射信噪比为15dB.从本文推导表达式的解析值可以看出,在发射信噪比一定的情况下,随着传输速率阈值的增加,中断概率会明显升高,且在HDAF策略下中断概率上升的幅度也会略大于IHDAF策略.另外也不难看出,无论目标传输速率为何值,IHDAF策略都能比HDAF策略得到更好的系统性能.

图7 Uf中断概率随传输速率阈值的变化曲线Fig.7 Outage probability of Uf versus transmission rate threshold

4 总 结

本文在以近端用户充当中继的多用户协作NOMA系统下,提出了基于HDAF和IHDAF协议的中继选择策略,分别推导和分析了两种策略下的系统中断性能.仿真结果表明:1)不论在何种信道条件下,相比于传统的中继选择方法,本文所提策略都能大幅度降低系统中断概率,特别是IHDAF中继选择策略始终可以实现最佳的中断性能,但随之计算复杂度也会升高;2)通过提高发射机发射功率和增加中继数量都可以有效地提升系统中断性能;3)系统中断性能会随着预先设定的传输速率阈值的升高而变差.