智能反射表面辅助的非正交多址接入系统用户分组、波束赋形与相移的优化

该文研究智能反射表面(IRS)辅助的多天线非正交多址接入(NOMA)网络中用户分组、发送波束赋形、相移等的联合优化问题。系统中1个分组分配1个波束并在组内进行连续干扰消除检测。该文提出一种不依赖于发送波束赋形和IRS相移的用户分组配对策略,将用户分组与其他优化分离,显著降低了优化问题求解的难度和计算复杂度。进一步,联合优化基站发送波束赋形、功率分配和IRS相移矩阵,最小化基站的总发送功率。原始优化问题是一个多变量相互耦合的非凸优化问题,利用松弛变量、连续凸逼近、半定松弛、交替迭代优化等方法将原问题转化为凸问题并求解。仿真结果显示,相较于1个用户1个波束的方案,所提方案在基站天线数较少时性能更优,而在天线数较多时也与该对比方案非常接近,但所提方案的优化计算复杂度更低。而对比采用不同分组算法、随机IRS相移方案、最大比发射方案,以及无IRS的方案,所提方案的性能始终更优。

多基站无线非正交多址接入的平滑视频流传输算法

视频服务需求的快速增长对于视频流畅播放提出了巨大挑战,从用户体验角度分析,视频播放中的卡顿时间可能是最重要指标之一。随着5G网络技术的发展,非正交多址接入(NOMA)技术被重点关注,NOMA技术具有叠加编码和连续干扰消除2个特点,根据这2个特点实现数据的并行传输。利用NOMA技术的并行传输能力来提高基站为用户提供视频的实时性。在用户需求视频名称和视频分辨率给定的情况下,通过联合基站-用户配对方式和基站功率分配来降低视频播放时的卡顿时间。通过对问题进行建模,并提出1个两步启发式算法对问题进行求解,第1步为确定基站与用户的配对方式,第2步为分配基站的发射功率。实验结果表明,基于NOMA的传输调度方案与传统的传输调度方案相比,用户需求的平均卡顿时间有明显的下降,相对于在不采用NOMA机制时,在2-SIC接收机情况下,用户平均卡顿时间减少了55.56%。

全双工主动窃听非正交多址接入系统智能超表面辅助物理层安全传输技术

针对全双工被动窃听和主动干扰攻击下的多用户非正交多址接入(NOMA)系统,该文提出一种智能超表面(RIS)辅助的鲁棒波束赋形方案以实现物理层安全通信。考虑在仅已知窃听者统计信道状态信息的条件下,以系统传输中断概率和保密中断概率作为约束,通过联合优化基站发射波束赋形、RIS相移矩阵、传输速率和冗余速率,来最大化系统的保密速率。为解决上述多变量耦合非凸优化问题,提出一种有效的交替优化算法得到联合优化问题的次优解。仿真结果表明,所提方案可实现较高的保密速率,且通过增加RIS反射单元数,系统保密性能更佳。

基于非正交多址的多无人机协同计算与任务卸载策略

人群密集的应用场景下存在计算资源需求量大、无人机计算任务分配不均等计算需求问题。针对该类场景,论文提出一种基于非正交多址的多无人机辅助的移动边缘计算任务卸载方案。首先,利用非正交多址和串行干扰删除技术提升用户的传输速率,并利用多无人机的相互协作防止任务分配不均。在符合用户设备能耗、计算资源的前提下,通过联合优化无人机部署位置和卸载策略,构建一个使系统能耗最小化的优化问题。并将该优化问题分解为两个子问题,利用深度强化学习中的DDQN网络求出用户的卸载决策,利用差分进化算法确定此卸载决策下的无人机部署,然后交替迭代两种方法得到问题的优化解。仿真结果表明相较于时分多址技术,非正交多址有效地降低了用户任务的传输时延。相较于DQN网络、贪婪算法,论文所提卸载决策算法有效降低了系统总能耗。

非正交多址光通信系统信道均衡的虚拟时反方法

室内非正交多址(non-orthogonal multiple access, NOMA)可见光通信系统(visible light communications, VLC)可实现高速率多用户通信,但多径效应会造成通信可靠性及用户公平性明显下降,为此,提出一种虚拟时间反转技术(virtual time reversal mirror, VTRM)对NOMA-VLC进行信道均衡,消除多径效应对通信过程的影响。分析了多用户场景下室内NOMA-VLC系统模型及其通信光链路的特性,依据光链路增益的稀疏特性采用稀疏度自适应匹配追踪(sparsity adaptive matching pursuit,SAMP)算法,估计NOMA-VLC系统的信道冲激响应(channel impulse response, CIR)。在此基础上,采用VTRM方法对NOMA-VLC进行信道均衡,通过VTRM的时空聚焦特性减少信道衰落影响,并重构接收信号,抑制多径效应。理论分析和实验结果表明:经论文算法均衡后的NOMAVLC系统,在满足前向纠错(forward error correction,FEC)误码率阈值的同时,用户1性能提高了4.4 dB,用户2性能提高了5.7 dB,两用户平均性能提高了5.05 dB,用户间性能差异由1.6 dB降为0.5 dB,为NOMA-VLC信道均衡提供了有效的解决方案。

非正交多址接入异构网络用户公平性问题研究

针对5G非正交多址接入异构网络主要以传输总速率最大化为优化目标带来的资源分配不平衡,导致部分信道最小速率过低,造成用户服务质量下降,从而带来用户之间不公平问题,文中基于非正交接入异构网络模型,综合考虑传输总速率和用户最小速率,提出将整体优化问题解耦,利用最佳信道配对选择和优化用户功率分配方法最大化最小用户速率,解决用户公平性问题。仿真结果表明,提出的算法在较低的复杂度下,用户最小速率明显优于传统方法,用户公平性明显提升。

基于多载波非正交多址接入的协作移动边缘计算系统优化研究

文章研究了基于多载波非正交多址接入(Multicarrier Non-Orthogonal Multiple Access, MC-NOMA)的协作移动边缘计算系统,该系统由一个用户端、一个协作节点与一个配备边缘计算服务器的接入点(Access Point, AP)组成,旨在给定任务执行时延约束下,最小化用户端与协作节点的通信与计算能耗。为此,首先提出一种新颖的MEC协议,使用户端和协作节点充分利用MC-NOMA技术以高频谱效率的方式进行任务卸载;然后在该协议下,建立系统优化问题,联合优化任务卸载时间与计算时间分配、子载波分配、各个子载波的发射功率分配、任务划分和MEC服务器CPU频率。该问题是一个非凸的混合整数规划问题,求解颇具挑战性。通过利用代数变换、大M表达法、分层优化、连续凸近似和黄金分割法,对该问题进行求解,从而提出一种高效的系统优化算法。仿真结果表明,与已有的仅采用多载波技术研究方案相比,采用MC-NOMA技术可节省50%~60%的能耗。

新型非正交多址接入技术:理论、应用与未来方向

第六代移动通信系统面临着前所未有的技术挑战,NOMA作为解决6G关键问题的重要手段,近年来得到了广泛的研究讨论。与传统正交多址接入方案相比,NOMA的主要特点是通过非正交资源分配服务更多数量的用户,并通过干扰消除技术抵消用户间干扰的影响。首先介绍了NOMA的基本理论,然后讨论了6G场景下NOMA关键技术的理论研究及工程实现情况,最后对NOMA的应用场景和未来研究方向进行了描述与展望。

非正交多址系统中基于公平性改善的双层挤压迭代功率分配方法

为了解决下行非正交多址系统中多用户通信的公平性问题,提出了基于公平性改善的双层挤压迭代功率分配方法。研究内容包括:首先,设计基于用户信道增益差的用户信道分裂过程,方便动态调整功率挤压时的挤压程度;其次,从强用户到弱用户进行内层功率挤压迭代,根据信道分裂情况设置挤压因子与附加挤压因子,使信道分裂处的弱用户对强用户挤压程度更强;第三,对内层挤压功率进行外层迭代的再分配与再挤压,可保持总功率不变的情况下,进一步提升功率分配的公平性。仿真结果表明:对比信道分裂下与信道未分裂下的公平性指数,其性能提升了25%;对比仅进行挤压因子与附加挤压因子调整,而未进行内外层迭代次数调整的情况,公平性指数性能提升了53.71%,同时,所提算法比注水算法达到的公平性指数明显改善,在公平性提升方面达到了较好的效果。

基于低复杂度加法网络的非正交多址接入短报文多用户检测算法研究

针对非正交多址接入(NOMA)系统中,接收机使用串行干扰删除算法译码时需要已知干扰用户的调制方式而产生额外的信令开销问题,该文提出一种基于联合星座轨迹图和深度学习的NOMA短包传输干扰用户调制方式盲检测算法。考虑在通信设备部署神经网络时存在计算复杂度高和能量消耗大等不足,将原始卷积神经网络替换为深度加法网络,在调制检测准确率,计算延迟和能耗等方面进行了充分比较,使用时域过采样技术改善低信噪比下的识别率。最后分析并验证了功率分配,数据包长度对检测性能的影响。

基于非正交多址接入的星空地多用户认知网络性能研究

卫星通信(SatCom)因其强大的生存能力和无缝覆盖的独特优势,能够弥补地面通信网络受地形限制、覆盖范围小等短板,在当前和未来的无线通信系统中具有重要的地位。此外,空中辅助通信由于其在星地网中的灵活性和可扩展性,具有很高的研究价值。为克服星空地网络(ISATN)中频谱短缺问题,认知无线电(CR)和非正交多址接入(NOMA)被用于提高频谱利用率和传输性能。因此,该文研究了基于NOMA的星空地认知网络(CISATN)的性能,考虑多用户场景,分别得到了主网络和次级网络的中断概率(OP)的准确表达式和高信噪比下的渐进表达式,并给出了这两个网络的分集增益。最后,通过蒙特卡罗仿真验证了理论推导的正确性,并分析了关键变量对系统指标的影响。

基于非理想条件可重构智能超表面辅助无线携能通信-非正交多址接入系统通感性能研究

为满足日益增长的高效通信和可靠感知需求,该文提出可重构智能超表面(RIS)辅助无线携能通信(SWIPT)-非正交多址接入(NOMA)系统,该系统同时实现目标感知和信息传输。考虑非完美连续干扰消除(SIC)和信道估计误差(CEE)两种非理想因素,分析了所提系统的可靠性、有效性以及雷达感知性能,分别推导出系统中断概率(OP)、遍历速率(ER)、检测概率(PoD)以及雷达估计信息速率(REIR)的解析表达式。分析结果表明:非完美SIC和CEE对系统的性能有负面影响;中断概率随基站发射功率的增大而减小,在高信噪比区域趋于定值;遍历速率及雷达估计信息速率随基站发射功率增大而增加,在高信噪比区域稳定于一个上限值;在不同的检测阈值下,检测概率随基站发射功率的增大而增大;联合雷达检测和通信覆盖概率(JRDCCP)分别随中断阈值和检测阈值的升高而降低。

UAV协助下非正交多址接入使能的数据采集系统中能效优化机制

无人机(UAV)协助下非正交多址接入(NOMA)使能的数据采集系统,考虑了地空概率信道模型和服务质量约束,并联合优化UAV三维布局设计和传感器功率分配最大化所有传感器的总能效。针对原混合整数非凸规划问题,提出了一种基于凸优化理论、深度学习理论和哈里斯鹰优化(HHO)算法的能效优化机制。在任意给定的UAV三维布局下,首先将功率分配子问题等价转化为凸优化问题;其次基于最优的功率分配方案,采用深度神经网络(DNN)构建从传感器位置到UAV三维布局的映射,并利用HHO算法离线训练最佳映射对应的模型参数。训练后的机制仅需执行少量代数运算并求解单个凸优化问题。仿真实验结果表明,在传感器数为12的情况下,相较于基于粒子群算法的遍历搜索机制,所提机制在仅损失约4.73%的总能效的情况下将运算时间降低了5个数量级。

智能反射面辅助的非正交多址系统协作多点传输方案研究

智能反射面(Intelligent Reflection Surface,IRS)和非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)被认为是6G的关键创新型技术,将两者融合可以大幅提高通信系统的频谱效率与能量效率。文中针对IRS辅助的双小区协作多点与非正交多址接入融合系统展开研究,具体地,将IRS部署于两小区中间的小区边缘附近,用来提升边缘用户的信号质量。在考虑用户服务质量(Quality of Service,QoS)与基站发射功率限制的条件下,建立了最大化小区边缘用户可达速率的优化问题。由于该问题是非凸的,很难直接求解,将此问题分解为两个子优化问题,采用交替优化算法进行求解。具体地,采用二分法解决功率分配系数优化问题;采用均方误差(Mean-Square Error,MSE)方法将优化问题转化为等效形式,再通过最大最小化(Majorization-Minimization,MM)算法进一步解决相移优化问题。仿真结果显示,所提出的解决方案使得边缘用户可达速率明显高于其他基准方案。

基于连续凸逼近的协作式非正交多址接入联合无线携能通信的能效优化方案

在传统的非正交多址(NOMA)系统中,通常将更多的功率分配给边缘用户以此来保证其通信质量,系统公平性以牺牲系统容量为代价。基于协作通信的NOMA系统虽可解决上述问题,但在协作阶段中心用户需承担中继的作用,这种方式必将给中心用户带来一定的负担。为了兼顾系统容量和公平性,该文提出一种基于协作通信和无线携能通信(SWIPT)的新型资源分配方案,该方案在满足边缘用户通信质量情况下,使用能量收集设备完成能量收集,通过连续凸逼近(SCA)求解目标问题最大化系统能效。仿真结果表明,与传统NOMA和协作式非正交多址接入系统(CNOMA)相比,CNOMA-SWIPT系统的能量效率得到了较大的提高,在基站最大发射功率为30 dBm时相比NOMA系统能达到60.8%的增益,相比CNOMA系统能达到比CNOMA系统高出约11.5%的增益,更符合绿色通信的发展理念。

去蜂窝大规模多输入多输出非正交多址系统中基于量子菌群优化的接入点选择方案

去蜂窝大规模多输入多输出非正交多址(MIMO-NOMA)系统的接入点(AP)选择,对有效降低系统的回程链路开销、提高用户的下行可达速率影响较大。该文针对AP选择的去蜂窝大规模MIMO-NOMA系统下行链路建立了用户平均速率的表达式;在此基础上,提出了基于量子菌群优化(QBFO)的AP选择方案,将AP与用户的连接关系以量子比特的形式编码,利用自适应量子旋转门模拟细菌趋化,实现细菌位置更新,通过对量子细菌种群进行测量,获得AP与用户的选择解集,并引入驱散操作避免算法陷入局部最优。实验结果表明,所提方案能够在降低回程链路开销的同时显著提高用户的下行平均速率,相较于基于接收功率和基于信道估计均方误差的AP选择方案,该文所提方案在降低用户间干扰、提高系统总吞吐量方面表现更优。

下行时间反转非正交多址接入系统的设计与优化

针对时间反转多址接入系统在用户相关性较大时,用户间干扰严重,导致系统和速率下降问题,提出一种将时间反转多址接入技术与功率域非正交多址接入技术相结合的下行多址系统方案.将相关性较高的用户分为一组,组内用户符号采用非正交叠加传输的方式,不同用户组的符号采用时间反转滤波器进行预处理,实现多用户符号的同时同频传输.给出了一种用户分组算法,进一步在用户最小速率和基站的总发送功率约束下,采用迭代信干噪比注水算法优化用户的发送功率以最大化系统和速率.仿真结果表明,本文方案在配备单根发送天线、预滤波器采用迫零准则设计时高发送功率下的系统和速率比常规的时间反转多址接入方案约高30%;天线数目越多,性能优势越明显.

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

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(CRNOMA),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CRNOMA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。

基于非正交多址接入的RIS-IM系统

智能反射面辅助索引调制(RIS-IM)系统作为智能电磁环境下的潜在传输方案,但目前相关研究仅考虑单用户直接发送M阶调制信号场景,若要面向未来无线通信连接海量用户,需结合多址技术对相同资源下更多用户接入场景进行讨论。非正交多址接入(NOMA)技术通过主动引入干扰,对时频资源块进行功率域复用以连接更多用户,实现资源高效利用。文中基于NOMA提出了一种智能反射面辅助索引调制(RIS-IM-NOMA)系统,以实现RIS-IM系统的多用户接入。该系统利用智能反射面提升接收信号质量,并选择最佳发送天线、传递索引信息,通过NOMA将相同时频资源分配给更多用户,以提高频谱效率。在接收端采用贪婪检测方法进行信号检测,并对误码率理论上界进行推导及分析,针对NOMA带来用户间干扰造成的误码率性能下降提出了改进方案。对系统频谱效率进行理论分析,针对用户间频谱效率公平性问题,提出了一种功率分配方式。仿真结果表明:增加反射元件个数可有效降低系统误码率,所提功率分配方式可有效保证系统公平性,从而验证所提方案的有效性。

无人机辅助的非正交多址反向散射通信系统max-min速率优化算法

无人机(UAV)、非正交多址(NOMA)和反向散射通信(BC)相结合,可以满足热点地区高容量需求,提高通信质量。该文提出一种无人机辅助的NOMA反向散射通信系统最小速率最大化资源分配算法。考虑无人机发射功率、能量收集、反射系数、传输速率以及连续干扰消除(SIC)解码顺序约束,建立基于系统最小速率最大化的资源分配模型。首先利用块坐标下降将原问题分解为无人机发射功率优化、反射系数优化和无人机位置与SIC解码顺序联合优化3个子问题,然后使用反证法给出无人机最优发射功率,再用变量替换法和连续凸逼近将剩余子问题进一步转化为凸优化问题进行求解。仿真结果表明,所提算法在系统和速率与用户公平性之间具有较好折中。