OFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究_周成阳.pdf

第 41 卷第 6 期2022 年 12 月Vol.41,No.6Dec.,2022声学技术Technical AcousticsOFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究周成阳1,2,3，王 巍1,2，普湛清1,2，张春华1,2(1.中国科学院声学研究所，北京 100190；2.中国科学院先进水下信息技术重点实验室，北京 100190；3.中国科学院大学，北京 100049)摘要：针对基于功率域非正交多址接入(Power Domain Non-orthogonal Multiple Accesses,PD-NOMA)的正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)水声下行通信系统的功率分配问题，提出了一种基于中断概率的功率分配方法。用户节点在系统初始化阶段根据源节点广播的组网数据包获取水声信道的统计特征，源节点根据水下用户反馈的信道特征参数建立水下用户的中断概率模型，以最小化两用户的中断概率和为目标建立目标函数，在中断概率区域边界上遍历搜索最优的功率分配系数。仿真结果表明，该方法在保证公平性的条件下，有效降低了用户节点的中断概率，提高了系统的频谱利用率和误码性能。关键词：水声通信；正交频分复用(OFDM)；非正交多址接入；功率分配；中断概率中图分类号：TB533 文献标志码：A 文章编号：1000-3630(2022)-06-0804-09Research on power allocation method for downlink non-orthogonal multiple accesses of OFDM underwater acoustic communicationZHOU Chengyang1,2,3,WANG Wei1,2,PU Zhanqing1,2,ZHANG Chunhua1,2(1.The Institute of Acoustics of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;2.Key Laboratory of Science and Technology on Advanced Underwater Information of the Chinese Academy of Sciences,Beijing 100190,China;3.University of Chinese Academy of Sciences,Beijing 100049,China)Abstract:An outage probability based power allocation method is proposed for the power domain non-orthogonal multiple accesses based orthogonal frequency division multiplexing(OFDM)underwater acoustic downlink communication system.User nodes obtain the statistical characteristics of the underwater acoustic channel according to the network-forming data packets broadcast by the source node in the system initialization phase.The outage probability model of the underwater users is established according to the channel characteristic parameters returned by user nodes.The objective function for minimizing the sum of two-user outage probability is established.The optimal power allocation coefficient is obtained by seeking the boundary of the ergodic outage probability region.Simulation results show that the proposed method effectively reduces the outage probability of user nodes and improves the spectrum utilization and BER performance of the system under the premise of guaranteeing fairness.Key words:underwater acoustic communication;orthogonal frequency division multiplexing(OFDM);non-orthogonal multiple accesses;power allocation;outage probability0引 言随着水声通信系统中用户规模的扩大，传统点对点通信模式难以满足系统对高数据率和高吞吐量的需求，水声通信中新的多用户通信机制成为研究热点。由于水声信道传播时延高、多径干扰严重以及可用带宽较窄等特点的限制，如何提高频谱利用率、优化资源分配策略成为多用户水声通信亟待解决的问题。基于叠加编码的功率域非正交多址接入(Power Domain Non-orthogonal Multiple Access,PD-NOMA)技术支持多个用户的数据在相同的时间、频率自由度下并行传输，频谱效率相较传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术大幅提高，被认为是5G无线网络中主要的多用户下引用格式：周成阳,王巍,普湛清,等.OFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究J.声学技术,2022,41(6):804-812.ZHOU Chengyang,WANG Wei,PU Zhanqing,et al.Research on power allocation method for downlink non-orthogonal multiple accesses of OFDM underwater acoustic communicationJ.Technical Acoustics,2022,41(6):804-812.DOI:10.16300/ki.1000-3630.2022.06.003收稿日期:2021-07-02;修回日期:2021-08-18基金项目:JKW-DY一体化通信与组网技术(E090131601)、中国科学院声学研究所所长基金(Y754191211)。作者简介:周成阳(1995)，男，江苏张家港人，博士研究生，研究方向为水声通信。通信作者:张春华，E-mail:第 6 期周成阳等：OFDM水声通信下行非正交多址接入功率分配方法研究行传输方案之一1-4，因此将非正交多址接入方案与具有高频谱利用率的OFDM技术5-7结合成为多用户水声通信领域中一个新的研究方向。多个用户构成的水声网络通信受远近场效应的影响，边缘用户信道条件差、信噪比低，传统OMA方案在资源分配受限的条件下难以公平、高效地调度边缘用户，导致系统容量降低。PD-NOMA系统在下行传输中对功率域复用，根据合理的功率分配策略为发送给近端用户和边缘用户的信号分配不同的发射功率，并在相同的时频资源块上以非正交方式叠加，用户节点利用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术从接收信号中消除多用户干扰，与OMA方案相比具有更高的频谱利用率和公平性8-10。NOMA方案在发送端主动引入干扰，系统性能与功率分配策略紧密相关，国内外学者针对NOMA系统的用户功率分配问题进行了相应研究。文献11提出了一种在NOMA系统功率限制条下最大化用户可达速率加权和的功率分配策略；文献12在其基础上增加了用户最小接收速率的限制，该方法在理想条件下可以获得合理的功率分配系数，但未考虑实际的信道模型，并不是最优解；文献13根据完备的信道状态信息(Channel State Information,CSI)构建中断概率模型，重点研究了功率分配系数选择对NOMA系统中断概率的影响，理论分析和仿真结果表明，在合理选择功率分配系数的条件下，NOMA系统中断性能优于OMA系统；文献14研究了中断概率限制下用户服务质量的优化问题，以最大化边缘用户接收速率和最小化总发射功率为目标，求解了最优功率分配系数和SIC接收机的最佳解码顺序，充分考虑了系统的公平性和服务质量的权衡问题。上述方法假设发送端已知所有用户的完备CSI，不适用于大传播时延与信道时变的水声网络环境。目前对基于NOMA方案的多用户水声通信的研究尚在起步阶段，文献2将叠加编码应用于水声OFDM系统，通过水池实验分析了功率分配系数对系统误码率的影响；文献15针对水声信道时变和高传播时延的特点，提出一种适用于下行通信的OFDM调制叠加编码方法，该方法利用信道的统计CSI代替完备CSI构建功率分配目标函数模型，以绝对公平原则进行遍历求解。经过仿真和海上试验验证，在两用户信噪比差异较大情况下，该方法可获得比已知完备CSI的OMA方案更大的可达速率区域。本文提出一种适用于PD-NOMA-OFDM水声下行通信系统的功率分配方案，充分利用水声信道的强多径效应，根据水下用户反馈的信道统计特征参数建立用户的中断概率模型，根据该模型优化了功率分配系数的搜索区间，以最小化多用户中断概率为目标求解两用户的最优功率分配系数，通过数值仿真验证了该方法的有效性，提高了系统的频谱利用率。1基本模型1.1系统描述基本的PD-NOMA-OFDM水声下行通信系统包含1个源节点和L(L2)个用户节点，用户节点随机分布在以源节点为中心的水声网络中，不同用户经历不同的信道衰落。源节点在网络初始化阶段获取L组信道统计特征，联合L个用户的中断概率函数求解用户节点i的功率分配系数i。不失一般性，假设用户按照功率分配系数大小进行排序：12L，源节点通过叠加编码技术对L个信号进行非正交叠加并广播，用户节点i的串行干扰消除接收机接收到叠加信号后将前i-1个用户的信号分量视为干扰，后L-i个用户的信号分量视为噪声，共需进行i-1次干扰消除。由两个用户(L=2)组成的通信系统是构成多用户水声通信网络的基本单元，本文将两个用户PD-NOMA-OFDM系统作为研究对象。图1给出了两用户场景下的系统框图，其中用户1为网络边缘用户，用户2为近端用户。在总功率限制条件下，源节点为信噪比低的用户1分配较高的功率，为信噪比高的用户2分配较低的功率，通过叠加编码将发送给两个用户的OFDM信号在相同的时频资源块上发出。用户1接收机将用户2干扰视为噪声，直接进行数据解码；具有较高信噪比的用户2先恢复用户1的信号，将用户1干扰从叠加信号中消除后进行数据解码。1.2水声信道与OFDM模型水声时变相干多径信道可以表示为若干个时延大小、衰减系数不同的路径的叠加。设多径数为Np，Ap(t)、p(t)分别为第p条路径的衰减系数和时延，具有强多径时延扩展的水声信道的时域冲击响应可表示为h(,t)=p=1NpAp()t-p(t)(1)设PD-NOMA-OFDM系统采样率为fs，一帧信号包含Q个OFDM符号，符号周期为T，则子载波频率间隔为f=1/T，有效子载波序号集合为C=8052022 年声学技术c1,c2,.,cM，一个符号周期内采样点数为N=fsT。设dnq为第n个符号经过星座映射以及添加共轭部分后的信息序列，O