1、第 40 卷第 3 期计算机应用与软件Vol.40 No 32023 年 3 月Computer Applications and SoftwareMar 2023NOMA 系统的被动中继选择策略研究宋传旺1赵瑞收1邵文1张家明2郝思媛11(青岛理工大学信息与控制工程学院山东 青岛 266525)2(山东省调水工程运行维护中心棘洪滩水库管理站山东 青岛 266100)收稿日期:2020 07 07。山东省自然科学基金项目(Z2018MF002);国家自然科学基金青年科学基金项目(61701272)。宋传旺，副教授，主研领域:协作通信，物联网技术。赵瑞收，硕士生。邵文，硕士生。张家明，工程师。郝
2、思媛，副教授。摘要针对传统的多中继协作网络传输中低频谱效率和高功率消耗等问题，在非正交多址技术的多中继协作通信网络中，提出一种基于中断概率的被动中继选择策略。推导网络中两个用户的中断概率的精确表达式，并分析两个用户在高信噪比下中断概率的近似结果和它们的分集增益。仿真分析中继数目、中继位置和功率分配系数对两个用户中断性能的影响。与非正交协作网络中部分中继选择策略仿真对比，结果表明，中继数目大于 2时，该策略分集增益更大，并且随着中继数目的增大，该策略具有显著的中断性能优势。关键词频谱效率非正交多址接入协作通信中断概率被动中继选择中图分类号TP393文献标志码ADOI:10 3969/j issn
3、 1000-386x 2023 03 026ESEACH OF EACTIVE ELAY SELECTION STATEGY FO NOMASong Chuanwang1Zhao uishou1Shao Wen1Zhang Jiaming2Hao Siyuan11(School of Information and Control Engineering，Qingdao University of Technology，Qingdao 266525，Shandong，China)2(Jihongtan eservoir Management Station，Shandong Province
4、Water Transfer Project Operation and Maintenance Center，Qingdao 266100，Shandong，China)AbstractAimed at the problem of low spectral efficiency and high power consumption in traditional multi-relaycooperative network transmission，a reactive relay selection strategy based on outage probability is propo
5、sed in non-orthogonal multi-access(NOMA)cooperative networks with multi-relay The exact expression of outage probability oftwo users in network were derived，and the approximate result of outage probability of two users and their diversity gainwere analyzed under high signal to noise ratio(SN)The eff
6、ects of relay number，relay position and power distributioncoefficient on the outage performance of two users were analyzed This strategy was simulated compared with the partialrelay selection strategy for NOMA The results show that when the number of relays are greater than 2，the diversity gainof th
7、e proposed strategy is larger，and with the increase of the number of relays，the proposed strategy has significantoutage performance advantagesKeywordsSpectrum efficiencyNOMACooperative communicationOutage probabilityeactive relay selection0引言非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)可有效提高频谱效率，是第五代
8、移动通信(5G)中的关键技术1 3。NOMA 的关键思想是发送端采用功率域复用，在同一频段为多个用户服务，这些用户可以通过调整自身功率分配比例来共享频率资源，接收端采用连续串行干扰消除(Serial InterferenceCancellation，SIC)技术来消除干扰4。由于协作通信可以获得空间分集增益和扩大通信覆盖范围，有效提高系统容量和传输可靠性5 9，NOMA 在协作通信方面被广泛应用10 12。Men 等13 将 NOMA 与下行协作网络系统相结合，分析了单中继协作下两个配对用户的中断性能、遍历和速率。郭延丽14 针对 NOMA 多中继协作网络系统，168计算机应用与软件2023
9、年提出了基于系统中断概率的最佳中继选择方案，分析了配对用户系统的中断性能，但该方案没有分别对两个用户的中断性能进行分析。Lee 等15 16 等研究了部分中继选择对 NOMA 协作系统中两个用户的中断性能影响，该方案仅考虑了源节点与中继之间的信道状态信息，没有综合考虑全部链路状态信息。李美玲等17 等针对 NOMA 多用户多中继接入系统，提出可使目标用户获得信息速率最大化的最佳中继选择方案，但该方案仅分析了最差用户的性能改善情况。本文针对 NOMA 多中继协作网络，综合考虑中继到两个用户的信道状态信息，提出一种基于中断概率的被动中继选择策略，分别分析了两个用户的中断性能。最后与部分中继选择(P
10、artial elay Selection，PS)15 16 策略进行仿真对比，验证了本策略的中断性能优势。1系统模型和中继选择策略1 1系统模型本文考虑一个非正交多址技术的多中继协作通信网络，如图 1 所示。该网络由 1 个源节点 S，N 个解码转发(Decode-and-Forward，DF)的中继节点 k 和 2 个目标用户节点(D1、D2分别表示用户 1、用户 2)组成，且用户 1 为远端用户。受距离或障碍物的影响，源节点与目标用户之间无法直接通信。设所有节点之间的链路为相互独立的瑞利信道，且各节点终端为单天线设备并以半双工的方式工作，信道中的噪声均为独立的加性高斯白噪声。定义节点 i
11、(i S，k，k 1，2，N)与 j(j k，D1，D2，ji)之间的信道衰落系数为hij，则信道增益|hij|2e1ij，信道参数 ij=d ij，其中:dij是节点 i 与节点 j 之间的距离;是路径损耗变量。图 1NOMA 多中继协作通信网络由模型可知源节点 S 到用户的数据传输分为两个过程。在第一时隙，S 广播两个用户的叠加信息1x1+2x2到所有中继，其中:1、2为两个用户的功率分配因子且 1+2=1(1 2);x1、x2分别为源节点 S 发送给用户 1、用户 2 的消息信号，且满足E|x1|2=E|x2|2=1(E 为数学期望)。则中继k 接收到的信号为:yk=PShSk(1x1+
12、2x2)+nk(1)式中:PS为源节点 S 的平均发射功率;nk CN(0，2)代表中继 k 处服从均值为 0、方差为 2的加性高斯白噪声。由于用户 1 为远端用户，为保证用户公平性，把用户 1 当作高优先级用户。根据 NOMA 系统连续串行干扰消除技术，中继 k 把 x2看作干扰噪声来解码 x1，此时中继解码 x1时的信息干扰噪声比(Signal to Inter-ference plus Noise atio，SIN)为:(1)Sk=1|hSk|22|hSk|2+1(2)式中:=PS2为系统信噪比(Signal to Noise atio，SN)。然后中继删除 x1，解码 x2时的 SIN
13、 为:2Sk=2|hSk|2(3)所有中继中能正确解码出 x1、x2的中继集合称为解码集合，得到成功解码的中继集合可以表示为:Sr=k:1kN，1|hSk|22|hSk|2+1T1，2|hSk|2T2(4)式中:两个用户 SIN 门限分别为 T1=221 1、T2=2221;1、2分别为用户 1 和用户 2 的目标速率。第二时隙时，在解码集合中，最佳中继 k*将解码后的联合信息1x1+2x2转发到用户 1 和用户 2。其中 1、2分别是用户 1 和用户 2 重新分配的功率分配系数。则用户 Di(i 1，2)接收到的信号表示为:yDi=Phk*Di(1x1+2x2)+nDi(5)式中:P为中继
14、k 的平均发射功率;nDi CN(0，2)。令 P=PS=P，用户 1 根据连续串行干扰消除技术，把 x2当作干扰，解码 x1时的 SIN 为:(1)k*D1=1|hk*D1|22|hk*D1|2+1(6)对于用户 2，先解码 x1时的 SIN 为:(1)k*D2=1|hk*D2|22|hk*D2|2+1(7)在成功解码用户 1 的信息后，消去用户 1 的信息解码出自身信息，此时用户 2 解码 x2时的 SIN 为:(2)k*D2=2|hk*D2|2(8)此时，用 O1、O2分别表示用户1、用户2 的 SIN 小于阈值的概率。则 O1、O2可以表示为:O1=Pr(1)k*D1 T1=第 3 期
15、宋传旺，等:NOMA 系统的被动中继选择策略研究169Prhk*D121T1()21(9)O2=r(1)k*D2 T1+r(1)k*D2T1，(2)k*D2 T2=1 r(1)k*D2T1，(2)k*D2T2=rhk*D22min1T1 2，2T21()(10)1 2基于中断概率的被动中继选择为了方便分析后续中继选择过程，令式(9)、式(10)中参数 A=1T1 2，B=min1T1 2，2T2，C=2T2。令 k=min|hkD1|2A，|hkD2|2B，则被动中继选择准则为:k*=maxkSrSr 1，2，Nk(11)结合式(11)给出基于中断概率的中继选择过程:首先源节点 S 发送叠加信
16、息1x1+2x2到所有中继，同时开启计数传感器。所有中继节点会根据解码规则检测能否正确解码出 x1、x2。如能正确解码，则发送反馈“ACK=1”给源节点，计数传感器值不变。若计数传感器值为 0，则解码集合为空，说明发生通信中断，不进行中继选择;若计数传感器值不为 0，两个用户接收到通知帧后，以相同的功率发送“允许发送帧”给解码集合中继。解码中继利用接收到的“允许发送帧”立即估计出各中继与用户 1、用户 2 之间的信道参数 hkD1、hkD2，然后中继根据信道参数设置自身定时器值，并启动定时器开始竞争归零。其定时器初值满足:Tk=k(12)被选择的中继 k*会首先归零，其他中继则退出竞争。最后被选择的中继广播叠加信息1x1+2x2给两用户，两个用户根据 NOMA 解码规则解码出各自的信息，完成通信。2中断概率分析2 1精确中断概率根据式(12)选择准则和全概率公式，用户 Di(i 1，2)的中断概率的表达式为:PDiout=Pr|Sr|=+NK=1Pr|Sr|=K Prhk*Di21A()Sr=K(13)式(13)中解码集合的概率:Pr|Sr|=K=CKNPr1 hSk22 hSk2+1