0 引言

    由于通信設(shè)備的增多，人們對(duì)通信的要求越來(lái)越高，尤其是容量、速率、延時(shí)這些方面。下一代通信標(biāo)準(zhǔn)（5G）正在被科研工作者廣泛研究^[1-2]。非正交多址接入（Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA）技術(shù)作為新的多址接入方案可能運(yùn)用到5G中。與現(xiàn)在已運(yùn)用的時(shí)分多址（TDMA）、頻分多址(FDMA)、正交頻分復(fù)用技術(shù)(OFDMA)相比，NOMA是在時(shí)域和頻域之外的能量域?qū)Y源進(jìn)行分割^[3-6]。NOMA允許干擾出現(xiàn)，接收端采用串行干擾消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技術(shù)將干擾消除，因此一個(gè)子信道從服務(wù)一個(gè)用戶可以變成服務(wù)多個(gè)用戶。

    為了更好地研究NOMA的效果，將NOMA運(yùn)用到多輸入多輸出（Multiple-Input-Multiple-Output，MIMO）系統(tǒng)中^[7-8]?？梢詫⒂脩舴殖啥鄠€(gè)組合（pair），不同pair間的干擾用波束形成技術(shù)（beamforming）消除。文獻(xiàn)[8]中講述了如何獲取和挑選pair。但是文章中pair的選擇比較簡(jiǎn)單，僅僅考慮信道的大小，沒(méi)有考慮beamforming的影響和系統(tǒng)整體的效果。本文設(shè)計(jì)了一個(gè)更全面的pair的選擇方法。

1 系統(tǒng)模型

    如圖1所示，本文設(shè)計(jì)一個(gè)NOMA和MIMO結(jié)合的單小區(qū)系統(tǒng)。MIMO中的波束形成技術(shù)使用迫零算法（zero-forcing beamforming）來(lái)設(shè)計(jì)。與傳統(tǒng)zero-forcing beamforming相比，本系統(tǒng)中的每個(gè)beam可以服務(wù)多個(gè)用戶，這里為了使得接收端設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，假設(shè)每個(gè)beam最多服務(wù)2個(gè)用戶。

    假設(shè)系統(tǒng)中有一個(gè)基站，天線數(shù)為N，一共有K個(gè)單天線的用戶。為了增加服務(wù)的用戶數(shù)，將多個(gè)用戶組合在一起，接收機(jī)可以利用SIC技術(shù)將這些用戶的信號(hào)分開，這個(gè)組合稱作NOMA pair。本系統(tǒng)采用zero-forcing beamforming設(shè)計(jì)，因此最多有N個(gè)beam。所以，系統(tǒng)最多服務(wù)N的NOMA pair。假設(shè)每個(gè)pair中最多有兩個(gè)用戶。因?yàn)橐粋€(gè)NOMA pair中最多有兩個(gè)用戶，定義信道增益大的用戶為強(qiáng)用戶（strong user），信道增益小的用戶為弱用戶（weak user）。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

    系統(tǒng)主要是從兩個(gè)方面設(shè)計(jì)：波束形成設(shè)計(jì)和用戶的配對(duì)。這些設(shè)計(jì)是為了讓系統(tǒng)的加權(quán)速率和在計(jì)算簡(jiǎn)單的情況下盡量大。

2.1 波束形成設(shè)計(jì)

    波束的設(shè)計(jì)如果考慮最佳的話是一個(gè)非常復(fù)雜的問(wèn)題，因?yàn)椴煌脩舻牟ㄊg有交叉。為了計(jì)算簡(jiǎn)便，也為了系統(tǒng)效果好，采用zero-forcing beamforming的設(shè)計(jì)。計(jì)算的信道是把用戶中的strong user合在一起計(jì)算的，如式(9)、式(10)所示。

2.2 SIC條件

    因?yàn)閟trong user是先解出weak user的信號(hào)然后再去掉，所以strong解出的速率應(yīng)大于weak user的信號(hào)傳送的速率。因此有：

2.3 用戶的配對(duì)

    本文選擇用戶的目的是使得系統(tǒng)的加權(quán)速率和最大，因此問(wèn)題寫成：

3 仿真

    假設(shè)一共有K=20個(gè)用戶，天線數(shù)為N=4，噪聲能量σ²=1，信道為(0，1)瑞利衰落信道。圖2是權(quán)重都是1時(shí)的加權(quán)速率和。圖3是權(quán)重是隨機(jī)一種權(quán)重的加權(quán)速率和。三角形標(biāo)記的實(shí)線是本文提出的方法，星形標(biāo)記的虛線是文獻(xiàn)[8]中的方法。由圖2和圖3可以看出，當(dāng)用戶的能量P增加時(shí)，加權(quán)速率和也增加。本文的方法的加權(quán)速率和明顯大于文獻(xiàn)[8]的方法。由此可以看出本文的方法是比較好的，因?yàn)楸疚牡姆椒ㄔ谠O(shè)計(jì)中考慮到了波束的影響。

4 結(jié)論

    本文設(shè)計(jì)了在zero-forcing beamforming的情況下，NOMA 配對(duì)的設(shè)計(jì)和選擇情況。由于設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了zero-forcing beamforming的特性，計(jì)算用有效信道增益，使得計(jì)算的效果得到了很大的提高。與原有方法相比，在計(jì)算量增加不大的情況下，效果得到了很大的提高，這也在仿真中得到了證明。

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作者信息：

石蘭潔1，陳海華1，2

（1.南開大學(xué) 電子信息與光學(xué)工程學(xué)院，天津300350；2．天津市光電傳感器與傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津300350）