蜂窝网络NOMA系统下行链路的功率分配研究

作     者：申逸飞 

作者单位：西安电子科技大学 

学位级别：硕士

导师姓名：刘毅

授予年度：2022年

学科分类：08[工学] 0804[工学-仪器科学与技术] 080402[工学-测试计量技术及仪器] 

主      题：非正交多址接入 功率分配 系统容量 能量效率 

摘      要：经过近半个世纪的快速发展,无线通信技术得到广泛普及,已经扎根在了社会生活的方方面面,随之而来的是用户对更高的数据速率和更低的能量消耗的需求。现有的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术经过多年发展,技术已经非常成熟,性能突破遇到了瓶颈。借助叠加编码和串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)技术,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术可以实现多个用户共享同一时频资源块,即同时同频传输多路用户信号,并在接收端对其正确检测,显著提升了系统中接入用户数的上限和系统总容量。而功率域NOMA作为NOMA的一种代表性方案,引入了功率域的新维度,由于系统原理简单,获得了学术界的青睐。本文面向NOMA技术核心的功率分配问题展开,针对不同的场景,分别从最大化系统总容量和能量效率两个角度研究其最优功率分配算法。本文首先以单载波NOMA系统的下行链路为例,介绍了NOMA技术的原理与特点,并将其与传统OMA系统进行了对比;然后介绍了几种基本的用户配对算法和功率分配算法;最后针对两种场景下的蜂窝网络NOMA系统下行链路,分别提出了对应的功率分配算法。第一种功率分配算法以最大化系统总容量(Sum Capacity,SC)为目标,同时需要满足每个用户的最小容量需求。本文将功率分配分解为子载波内功率分配和子载波间功率分配两个步骤来实现。首先根据系统的容量约束,计算出子载波内的最优功率分配结果;然后,将NOMA系统的子载波间功率分配问题等效转化为频分多址接入(Frequency Division Multiple Access,FDMA)系统的功率分配问题,并借助其拉格朗日对偶问题和注水算法求得最优功率分配结果;接着,对上述算法的计算复杂度进行了分析,提出了一种低复杂度的次优用户配对算法;最后,通过蒙特卡洛仿真验证了上述算法的性能,证明了相比于传统OMA方案,采用NOMA方案可以显著提升系统的总容量。第二种算法以最大化系统能量效率(Energy Efficiency,EE)为目标,同样需要满足每个用户的最小容量需求。该问题为非线性的分式优化问题,本文采用丁克尔巴赫算法将其转化为常规的凸优化问题,并推导了该优化问题存在唯一最优解的条件。该条件成立时,优化问题可以看作是最大化系统总容量问题的推广,此时可以通过之前的功率分配算法求得其最优功率分配结果;该条件不成立时,本文提出了两种功率分配算法,分别使用次梯度法及障碍函数法来求解最优功率分配结果。最后,对上述算法的计算复杂度进行了分析,证明了采用上述算法能进一步降低优化问题的维度,并通过蒙特卡洛仿真验证了其性能,证明了采用NOMA方案可以显著提升系统的能量效率。