支持多个多播组业务的多中继协作NOMA系统中断性能研究.pdf
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1、 研究与开发 支持多个多播组业务的多中继协作NOMA系统中断性能研究 褚翼飞,杨新杰(宁波大学信息科学与工程学院,浙江 宁波 315211)摘 要:提出在协作非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)系统中使用多中继方案支持主用户和多个多播组业务。考虑在瑞利信道下,从每个多播组中选出信道条件最好的次级用户作为中继节点协助解码转发目标单播主用户的信号,在主用户处使用最大比合并(maximum ratio combining,MRC)技术以提升信干噪比(signal to interference and noise ratio,SINR)。分别对全双
2、工和半双工模式下应用多中继同时转发(multi-relay simultaneous forwarding,MRSF)和最优中继转发(optimal relay forwarding,ORF)两种策略的主用户中断概率进行理论分析并通过蒙特卡洛仿真验证。结果显示,全双工对半双工中继具有性能优势,并发现对相同个数多播组,MRSF 策略相比 ORF 策略可有效提升单播主用户的中断性能且随多播组个数增加变得更显著。关键词:非正交多址接入;多播业务;全双工多中继;中断概率 中图分类号:TN925 文献标志码:A doi:10.11959/j.issn.10000801.2023135 Outage pe
3、rformance of multi-relay collaborative NOMA systems supporting multiple multicast services CHU Yifei,YANG Xinjie Faculty of Electrical Engineering and Computer Science,Ningbo University,Ningbo 315211,China Abstract:A cooperative non-orthogonal multiple access(NOMA)system was proposed to support unic
4、ast primary user and multiple multicast services based on multiple relays strategy.Under the Rayleigh channel,the secondary us-er with the best channel condition from each multicast group was selected as full-duplex relay to decode and forward the unicast primary users signal,and the primary user em
5、ployed the maximum ratio combining(MRC)technique to improve the signal to interference and noise ratio(SINR).The closed-form expressions for the outage probability of primary user in full-duplex and half-duplex modes with multi-relay simultaneous forwarding(MRSF)and optimal relay forwarding(ORF)were
6、 derived and verified by Monte Carlo simulations.The results verify that full-duplex re-lay outperforms half-duplex relay scheme.Furthermore,with same number of multicast groups,the MRSF strategy effectively improve the unicast primary user outage performance,in comparison with ORF strategy,when the
7、 number 收稿日期:20230418;修回日期:20230612 基金项目:国家重点实验室开放基金资助项目(No.SKLNST-2021-1-12);宁波市自然科学基金资助项目(No.2019A610073)Foundation Items:The Chinese National Key Laboratory Open Foundation Project(No.SKLNST-2021-1-12),The Ningbo City NaturalScience Foundation Project(No.2019A610073)研究与开发 36 of multicast groups i
8、ncreases,the improvement becomes more significant.Key words:non-orthogonal multiple access,multicast service,full-duplex multi-relay,outage probability 0 引言 当今,5G 技术逐步进入商用,且正在向下一代移动通信技术演进1-2。与此同时,面对爆炸式增 长 的 数 据 业 务 量,传 统 正 交 多 址 接 入(orthogonal multiple access,OMA)技术显得捉襟见肘,频谱资源的紧缺促使业界对新型多用户接入技术展开研究,非
9、正交多址接入(non-orthogonal multiple access,NOMA)技术作为其中一种具有发展前景的多用户接入方案引发了业界讨论。功率域 NOMA 支持发送端叠加编码(superposition coding,SC)发送信息,在接收端采用串行干扰消除(successive interference cancellation,SIC)技术解码目标信息,从而提高系统的频谱效率3-5。NOMA 还具有时延低、可大规模连接等优点,必将成为未来 6G 通信的关键性技术6。在 NOMA 系统中,使用中继协作目标用户是一种扩大通信覆盖范围、改善系统性能的有效技术手段。协作 NOMA 的相关方
10、案第一次进入大众视野是在文献7中,为提升系统中弱用户的性能,文献7将信道条件较好的用户作为中继协助转发目标信号。依据中继节点处理信息方式的差异,可分为放大转发(amplify and forward,AF)中继、解码转发(decode and forward,DF)中继等8-11。文献8使用 AF 中继放大信号功率并转发给远端用户,提高了系统吞吐量,但也存在放大噪声的问题。文献9将 DF 中继与部分中继选择策略相结合,先解码得到用户需要的信息再重新编码转发给接收端用户,提高了系统信息传输的可靠性。依据中继节点工作模式的不同,可分为全双工(full-duplex,FD)中继、半双工(half-d
11、uplex,HD)中继,科研人员将不同中继技术与 NOMA系统相结合进行了广泛探索12-14。文献12在通信感知一体化系统中引入 FD-NOMA 框架,探讨了在满足下行用户 SINR 要求时的感知信号最大化方案。文献13分析了 HD-NOMA 系统双向中继网络的平均可达速率与中断性能表达式,相比 FD模式极大降低了复杂度。文献14研究了基于FD-NOMA 的设备到设备(device to device,D2D)网络中弱用户的中断性能。FD 中继理论上可以实现信号同时发送和接收,相比 HD 中继可以提高一倍的系统容量,但会出现自干扰现象,自干扰消除技术的发展正在逐步改善该问题。另一方面,从业务需
12、求的方向看,当前对于协作 NOMA 系统的分析研究主要聚焦在单播业务通信场景15-19和一个单播多播场景20-22。单播场景中,文献19针对服务质量(quality of service,QoS)优先级不一的两个 NOMA 系统用户,提出功率分配方案并分析了平均可达速率性能。多播是同时为一组用户提供无线服务从而提高带宽利用率的有效机制,在一个单播多播业务混合的场景里,选择多播用户群充当中继为目标提供服务,即协作多播 NOMA 系统是多播研究的一个新进展。文献21研究了可移动用户在单播多播协作 NOMA 系统中的安全性能,所提方法经验证可实现多播流的可靠性和单播流的保密性之间的权衡。虽然实际通信
13、场景大多是包括位置、天气、管控等多播类型消息同时发送,但现在很少有科研人员在协作 NOMA 网络中探讨多个多播业务同时传输的技术方案。基于以上分析,本文提出新颖的支持单播和多个多播业务组的协作多中继 NOMA 技术方案。规定单播用户为主用户,享有最高 QoS 优先级,从多个多播组中选出合适的终端采用 DF 协议为主用户提供中继服务,主用户随后利用 MRC 技术联合解码以改善信号质量。本文推导出 FD 和 HD37 电信科学 2023 年第 7 期 模式下分别采取MRSF与ORF中继选择策略时主用户的中断概率闭式表达式及近似解,仿真结果与理论分析高度一致。结果表明,使用 MRSF 策略的主用户中
14、断性能在多播组数目相同时优于ORF 策略,并且这种优势程度随着多播组数目的增加而扩大,FD 中继对 HD 中继均有鲜明性能优势。此外,本文研究了多播组数目以及每个多播组内次级用户数目对主用户中断概率的影响。1 系统模型分析 下行链路协作 NOMA 系统模型如图 1 所示,构建包括一个基站(base station,BS)、一个单播主用户(user,U)和 M 个多播组的下行链路协作NOMA 系统。其中,可作为辅助网络的多个多播组位于同一区域内,每个多播组内有 N 个次级用户,接收同一种业务信号,定义次级用户为mnG,1,2,mM,1,2,nN。基站与主用户之间相距较远,所以信道条件差,两者间的
15、直连链路不能实现可靠通信。考虑在每个多播组中选择与基站之间信道增益最大的次级用户作为中继节点,中继使用 DF 协议转发信号给主用户。mR为第 m 个多播组中的中继,*R为M个多播组中的最优中继。mR由1,2,arg maxmmnnNR从相应多播组选出,mn表示第m个多播组中,第n个次级用户mnG与基站之间信道增益的平均功率。进一步地,*R可由*1,2,argmaxmmMRR选出。假设所有信道均服从独立同分布的瑞利衰落,噪声均是均值为0、方差为0N的加性白高斯噪声。基站与主用户配备单天线,中继配备双天线。考虑FD中继引起的剩余环路自干扰(loop self-interference,LSI)不可
16、忽略,故假设其为瑞利衰落反馈信道,信道衰落因子是LSIh,对应的信道增益与平均功率分别为2LSI|h、LSI。基站与主用户、中继*/mRR链路的衰落因子分别为B,Uh、*B,B,/mRRhh,中继*/mRR与主用户链路的衰落因子为*,U,U/mRRhh,基站与多播组中除中继外的其他次级用户链路的衰落因子为B,mwGh,其中,mwNR。对 应 的 增 益 分 别 为2B,U|h、*22B,B,|/|mRRhh、*22,U,U|/|mRRhh、2B,|mwGh,功率分别为B,U、*B,B,mRR/、*,U,UmRR/、B,mwG。基站发送含有1M个不同消息的复合信号BSB0Miiixa P x给单
17、播主用户和M个多播组内的 图 1 下行链路协作 NOMA 系统模型 研究与开发 38 次级用户。其中,BP 是基站发射功率,0 x 表示发送给主用户的信号,1x 至Mx 分别是发送给多播组 1至多播组 M 内次级用户的信号,ix 均为归一化单位功率信号。0a 是基站分配给主用户的功率系数,1a 至Ma 分别是分配给多播组 1 至多播组 M 内次级用户的功率系数。位于远处的主用户信道条件较差需要被分配相对较多的功率,因此0maa且满足01Miia。根据SIC原理,中继mR在收到复合信号后,首先解码主用户信号0 x,然后清除0 x并解码自身信号。中继mR解码信号0 x时的SINR表示为:20BB,
18、22BLSIB0B,|mmmRRmRha Pha PhPN(1)其中,FD模式时1;HD模式时0。假设基站发射信噪比BB0PN,代入得:20BB,22BLSIBB,|1mmmRRmRhahah(2)同理,最优中继*R解码信号0 x时的SINR为:*2B,0B22B,*BLSIB|1RRRhahah(3)其中,*a指分配给最优中继*R所在多播组的功率系数。多播组中除中继mR外的其他次级用户mwG解码信号0 x时的SINR为:20BB,2BB,|1mwmwmwGGmGhaha(4)MRC技术是一种分集合并技术,当接收端收到多个独立路径信号时,可用其改善信号质量。在本系统中,主用户会收到基站的直连信
19、号和中继的转发信号,从中继到主用户的转发路径相较于基站到主用户的路径存在时延,但考虑时延通常不超过一个码片的长度,所以在主用户处可对来自中继的转发链路信号和来自基站的直接链路信号使用MRC技术进行合并。在考虑中继选择时,本文提出了两种中继选择策略。策略 1 最优中继转发(ORF),即仅考虑将来自最优中继*R的转发链路信号和来自基站的直接链路信号使用MRC技术进行合并。此时主用户接收0 x时的SINR为:*2B,U0Bmrc2U,UR2B,U*B|1Rhahha(5)其中,RR0PN表示中继发射信噪比,RP表示中继发射功率。策略 2 多中继同时转发(MRSF),即考虑将来自不同多播组中继mR的M
20、个转发链路信号和来自基站的直接链路信号使用MRC技术进行合并。此时主用户接收0 x时的SINR为:1222B,U0BB,U0BMRCU22B,U1BB,U2B2B,U0B2B,UB222R,U,U,U2B,U0B2R2,U1B,UB|1|1|1(|)|1MmMRRRMRmmhahahahahahahhhhahha(6)将两种选择策略与中继双工方式相组合,4种应用方案示意图如图2所示。图 2 4 种应用方案示意图 2 系统中断性能分析 对于移动通信系统而言,中断概率是评价信号传输可靠性的关键指标,在本系统中,保障QoS优先级最高的单播主用户成功接收信号至关重要,所以本节对应用图2所述的4种方案的
21、主用户中断概率进行讨论。39 电信科学 2023 年第 7 期 由SIC技术原理可知,NOMA系统正常运行的前提是强用户解调弱用户的信号,即所有次级用户至少成功解码信号0 x。然后,主用户需要成功解调利用MRC合并后的信号0 x,此时所有信号接收节点均成功解码信号0 x。简而言之,主用户的中断事件含义是系统中至少存在一个信号接收节点无法成功解码信号0 x。2.1 FD-ORF 方案 当辅助网络内只有一个多播组(1M)时,最优中继*R即唯一中继mR,主用户中断概率FDUP可表示为:*1FDmrcFDUU11111mwNRGwPPPP (7)当多播组个数超过一个(2M)时,未被选中的其他1M 个中
22、继mR被视同一般次级用户,不考虑FD通信引起的自干扰。此时FDUP可表示为:*FDmrcFDUU1111FD111111mmwRMMNRGmmwPPPPP (8)其中,1为FD模式下解码信号0 x的SINR阈值,min121V,minV指解码信号0 x的最小目标速率。*FDR为最优中继处于FD模式时解码信号0 x的SINR,即式(3)中1时的值;FDmR为其他非最优中继mR解码0 x的SINR,视其处于HD模式,即式(2)中0时的值。各部分求解结果如下:*0 B11RR*B22,UB,U*0111R,U*B,UB,UB,U*mrcmrcU1U12B,U0B21,U2RRB,U*B(1)|00(
23、1)0B,U ()1()|1|(|1)1()()d d1eeeedRRRRyayahhyayyaPPhaPhhafx fyx yy 111R,UB,UB,U*()00B,U*B,U1eee1d(1)RyRyayya 11R,UB,U*11B,UB,U*11R,UB,U*11B,UB,U*B,U000*B,UB,U0BB,U0*BR,U1eeeded(1)1ee1eed(1)RRyyRyRyayyyayayya (9)其中,11B01*()aa,令*B1gya,有:1B,U*B*B,U1*1*B*B,U01*01*1B*B,U1*B,U01*0B020*BR,UBR*R,U0002BR*,U()
24、B*B,U0 ed(1)eedd1e1 ed1yRggaaaaaaaaRgaaaayaayyaagggaaagg ()(10)1B,UB*B,U*10B*B,U2BR*,U1*B*B,U01*B*B,U1 ee11Ei1EiaRaaaaaaaa()*221BLSIB,*B0*1B,LSI*1BB0*1*1B,B*2FD21LSIB1B,B0*1(1)|0()(1)0()LSIB,(B,LSI1B,0*1(1|)()|()()()d d11ededeRRRRRxhhaayxxaaRRRhPPhaafx fyx yxyaa 0*1)aa (11)研究与开发 40 1B01B,()FD1emmRma
25、aRP(12)1B01B,()1emmGwmwaaGP(13)考虑实际通信系统中基站的背景噪声通常较小,由BB0PN知,可假设B,应用等价无穷小原理e1xx 得0*BR,*(1)e1Uyaya *0*B,U(1)Ryaya,式(9)-()得证。式(10)-()的证明应用指数积分函数(exponential integral,Ei),eEi()duxxuu,0 x,且 有 定 理0ede(Ei()Ei()xxxx(其中、均为常数)符合式(10)-()中的表现形式,代入有1*01*aaa,B*B,U1a,1,式(10)-()得证。由11B01*()aa知,当0*1aa时,10,链路不存在分集增益。
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