多用户认知非正交多址接入系...中断性能分析及功率分配算法_申滨.pdf

多用户认知非正交多址接入系统中断性能分析及功率分配算法申 滨*张 楠 蒋慧林 董坤明(重庆邮电大学通信与信息工程学院 重庆 400065)摘 要：非正交多址接入(NOMA)是5G网络关键候选技术之一，其与认知无线电(CR)技术相结合形成系统(CR-NOMA)，能够实现更高的频谱效率及更大的吞吐量。该文将直传与中继协同传输(CDRT)方案引入多用户CR-NOMA系统，其中CDRT表示次级源(SS)直接与近端次级用户通信，而仅通过中继(R)与多个远端次级用户通信。在非理想自干扰消除和全双工(FD)中继情况下，推导了每个NOMA用户中断概率(OP)的精确闭式表达。此外，在该系统模型下分析SS,R和用户的收益最优化问题，提出一种基于收益的两阶段迭代功率分配算法。仿真结果显示，在高信噪比(30 dB)条件下，与随机功率分配及平均功率分配方案相比，该文所提算法的用户和速率、SS总收益、R总收益分别可最高提升13%,56%及26%。蒙特卡罗仿真验证了理论分析与实验结果的一致性。关键词：非正交多址接入；认知无线电；中断概率；功率分配中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1009-5896(2023)04-1201-10DOI:10.11999/JEIT220278Outage Performance Analysis and Power Allocation Algorithm ofMulti-user Cognitive Radio Non-Orthogonal Multiple Access SystemSHEN Bin ZHANG Nan JIANG Huilin DONG Kunming(School of Communication and Information Engineering,Chongqing University of Posts andTelecommunications,Chongqing 400065,China)Abstract:Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA)is one of the key candidate technologies for 5G networks.Combined with Cognitive Radio(CR)technology,the CR-NOMA system achieves higher spectral efficiencyand greater throughput quantity.The Coordinated Direct and Relay Transmission(CDRT)technology isintroduced into the CR-NOMA system in this paper,where one Secondary Source(SS)communicates directlywith one near-end secondary user,and the SS can only communicate with multiple far-end secondary users withthe help of one Relay(R)node.With imperfect self-interference cancellation and Full-Duplex(FD)relaying,closed-form expressions for the Outage Probability(OP)of the NOMA users are derived.In addition,therevenue optimization problem of SS,R,and the users is analyzed,and an iterative algorithm of two-step userpower allocation is proposed.Simulation results show,under the condition of a high signal-to-noise ratio(30 dB),compared with the average power allocation scheme and the random power allocation scheme,theproposed algorithm increases the user sum rate by up to 13%,the SS total income by 56%,and the R totalincome by 26%.Monte Carlo simulations verify that the theoretical analysis well matches the experimentalresults.Key words:Non-Orthogonal Multiple Access(NOMA);Cognitive Radio(CR);Outage Probability(OP);Powerallocation 1 引言无线数据服务和应用的普及，导致无线频谱资源的需求大大增加，需要更高效地利用有限的频谱资源1,2。非正交多址接入(Non-Orthogonal Mul-tiple Access,NOMA)技术通过发送叠加信号，在接收端利用串行干扰消除(Successive InterferenceCancellation,SIC)技术获取自身信号3。尽管相比于正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术接收机的实现复杂度更高，但NOMA技术可以获得更高的频谱效率，体现了其以接收机复 收稿日期：2022-03-14；改回日期：2022-08-03；网络出版：2202-08-04*通信作者：申滨基金项目：国家自然科学基金(62071078)Foundation Item:The National Natural Science Foundation ofChina(62071078)第45卷第4期电 子 与 信 息 学 报Vol.45No.42023年4月Journal of Electronics&Information TechnologyApr.2023杂度换取频谱效率提升的思想。为进一步提高频谱效率，可将认知无线电(Cognitive Radio,CR)技术引入NOMA，使得NOMA用户以次级用户的身份动态性地获得授权频谱接入机会，从而提升系统整体吞吐量。目前已有较多文献针对CR-NOMA系统进行了研究。文献4研究了将全双工(Full Duplex,FD)中继辅助CR网络应用到NOMA系统的性能，并推导了基于FD的用户中断概率(Outage Probability,OP)的闭式表达。文献5在Underlay CR-NOMA系统存在非理想SIC的情况下，推导了用户OP的精确闭式表达以及渐近表达式。文献6研究了一种解码转发协作的CR-NOMA网络，在非理想信道状态信息条件下推导了两个用户OP的闭式表达式。以上文献对NOMA与CR、中继技术的结合进行了初步研究，但都仅仅考虑用户通过中继与基站进行通信、基站与用户之间皆无直连链路的场景。此外，大多数文献仅针对两个用户进行分析，考虑多用户场景的文献相对较少。由于蜂窝小区中处于小区边缘的用户收到的信号一般特别微弱，服务质量可能难以保障。为缓解这种情况，可以通过提高基站发射功率来改善小区边缘用户的通信质量，但是这将导致巨大能量消耗，而中继技术能够很好地解决这一问题7，例如FD中继8可以在同一频带内同时发射和接收信号。在直传与中继协同传输(Coordinated Direct andRelay Transmission,CDRT)方案9,10中，小区中心用户与基站间存在直连链路、小区边缘用户只能通过中继与基站进行通信。因此，引入CDRT传输方案到下行NOMA系统(CDRT-NOMA)中，可以进一步节约系统部署成本并提高系统容量。文献9首次提出将CDRT方案与NOMA系统结合，并推导了用户中断概率及遍历和容量的闭式表达。文献11针对基于CDRT的CR-NOMA系统，在给定功率分配因子配置的情况下，推导了每个用户中断概率的近似和精确闭式表达。文献12针对多用户CDRT-NOMA系统，分析了FD和半双工机制对系统性能的影响，并推导了每个用户中断概率的近似和精确闭式表达。文献13针对CDRT-NOMA系统，提出了4种中继选择方案来提高用户性能和系统吞吐量，并推导了每个用户中断概率和系统总吞吐量的闭式表达。然而，以上研究大多仅针对两用户系统进行分析，并未研究多用户情况及其对应的功率分配算法。此外，以上研究也未考虑将CDRT方案与CR-NOMA系统结合，以进一步利用额外的频谱机会提升频谱效率。在分析用户中断性能之外，通过设计合理的功率分配算法可以有效提升系统吞吐量。文献14基于贪婪调度单小区下行NOMA系统，提出了用户选择和功率分配方案。文献15分析了CR-NOMA网络中次用户的安全通信性能，并在保证主用户通信可靠性的前提下，推导了次用户通信连接中断概率和安全中断概率的闭式表达。文献16研究了具有专用放大转发半双工中继和FD中继的协作NOMA系统功率分配问题，并推导功率分配策略的闭式表达。由以上研究发现，近端用户易受到中继(Relay,R)转发信号的干扰，性能降低，因此需要在着重保证近端用户性能的基础上，再考虑远端用户的功率分配。综上所述，在关于CR-NOMA的大部分现有工作中，虽然对不同场景进行了性能分析，但未考虑现实情况中，同时采用FD中继和CDRT传输方式的情况。此外，考虑到实际情况的复杂性，在实际应用中几乎不可能达到理想的自干扰消除，所以非理想自干扰消除对于系统的影响更值得研究，并且目前对于多用户CR-NOMA系统的研究文献相对较少。基于以上现状，本文研究了FD模式下的多用户CR-NOMA(FD-CR-NOMA)系统，采用CDRT方案，为次级源(Secondary Source,SS)与近端用户和多个远端用户提供通信服务，分析了系统中每个用户的中断性能，并提出了基于收益的两阶段迭代功率分配算法。本文的主要贡献总结如下：(1)引入CDRT方案到多用户下行CR-NOMA系统，考虑多个远端和近端用户不同的通信情况，对系统中每个用户的中断性能进行分析。(2)考虑非理想自干扰消除和FD中继，推导出每个用户期望信号OP的精确闭式表达，并通过仿真结果验证了分析结果的正确性。(3)考虑SS,R和用户的收益最大化，提出基于收益的两阶段迭代功率分配算法。在保证近端用户性能的前提下，经功率分配算法优化后，SS和R的总收益得到提升，且用户和速率增大。2 FD-CR-NOMA系统NPD1,PD2,.,PDNM+1D0,D1,.,DMDm(1 m M)多用户FD-CR-NOMA系统如图1所示，包括1个次级源SS，多个主发射机(Primary Transmi-tters,PT)，个主要用户(Primary Destinationuser,PD)分别表示为，1个FD中继R，个次级用户。假设SS和每个次级用户都为单天线，R为双天线(分别用于同时接收信号和发送信号)，并且SS和之间无直接相连的链路。文中的符号表示如表1所1202电 子 与 信 息 学 报第 45 卷hSPnCN(0,2SP)PDngD0,D1,.,DM SR,R,R0,Rm|gR1|2.|gRM|2|gS0|2IPS2 (0,1)TITC示。以表示SS与之间的信道系数，表示SS,R与之间的信道系数，且。为简化分析，假设不同信道系数之间是独立同分布的，并均将其建模为0均值的圆对称复高斯随机变量。主网络(Primary Network,PN)对次级网络(Se-condary Network,SN)用户的干扰用高斯变量表示，其均值为0，方差为，其中。假设仅当PD未受到来