摘要：针对采用无线携能通信的多中继底层协作认知非正交多址接入网络，提出一种两阶段中继选择策略。认知中继执行功率划分的无线携能通信协议为次级用户提供解码转发服务，其能量开销源于所采集到的能量。考虑了实际的非正交多址接入网络中，中继节点与次级用户均无法完全消除多址干扰，即无法实现理想连续干扰消除。在干扰阈值约束下，推导了非理想连续干扰消除下两次级用户端中断概率的精确表达式，并通过蒙特卡洛仿真验证其正确性。此外，定量分析了各系统相关参数(最大发射功率、干扰阈值、功率分配系数等)的选取对次级用户中断性能的具体影响。结果表明，在相同的系统参数设置下，所提方案次级用户中断性能远优于现有部分中继选择方案。
关键词：非正交多址接入;认知无线电;无线携能通信;两阶段中继选择策略;非理想连续干扰消除
1引言
随着移动数据流量的指数增长以及新的无线服务与应用的出现，下一代无线通信系统要确保可实现更大规模用户接入以及更高系统吞吐量。非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess,NOMA)技术可实现大规模接入、高系统吞吐量以及低延迟，被认为是第五代移动通信关键技术之一[1]。传统的正交多址接入(OrthogonalMultipleAccess,OMA)方案为单个用户分配互相正交的时/频域资源，这有效避免了用户间干扰、极大地简化了系统以及协议的设计。但同时，OMA系统所接入的用户数目受正交维数的限制，OMA系统的频谱效率低。与OMA不同，NOMA可以实现在同一资源(时间、频率以及扩频码)上服务更多的用户。具体表现为：在发射端利用叠加编码(SuperpositionCoding,SC)来整合多个用户的信息，接收端则采用连续干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)技术解码不同功率水平所对应的用户信息，SIC极大缓解了非正交多址接入引起的用户间干扰[2]。
鉴于NOMA可以与其他通信技术相兼容，将NOMA应用于协作通信系统可以有效提升系统用户数据传输可靠性、扩增系统覆盖范围。文献[3]首次将NOMA用于协作通信网络：选定信道状况更佳的用户充当为中继，协助转发信道状况更差用户的信息。结果表明，对比非协作NOMA、非协作OMA以及协作OMA系统，协作NOMA(CooperativeNOMA,CNOMA)系统用户中断性能更佳。
实际的协作通信系统中，相较于全双工节点，半双工节点实现起来更简单、相应的系统设计复杂度更低、对应的协作协议也更易于实现。对于半双工通信系统，常用的协作协议有放大转发(AmplifyandForward,AF)与解码转发(DecodeandForward,DF)两种[4]。协作通信网络中，多中继网络可以得到多中继节点之间的分集增益，这使得系统的性能得到了进一步提升。因此，对协作多中继网络的研究很有必要[5-7]。协作多中继网络中，中继的选取策略对系统用户中断性能有显著影响。文献[5]针对采用AF协议的协作多中继网络，分析了单个及多个最优中继策略下系统容量精确表达式。结果表明，扩增中继数目会提升系统容量、改进系统性能。文献[6]对协作NOMA中继网络进行研究，选定的最佳中继采用AF及DF协议协作用户信息的转发，推导得到了不同协议下用户中断概率闭合表达式。结果表明：对比AF协议，采用DF协议的协作NOMA网络用户拥有更佳的中断性能。文献[7]对不同中继选择策略下的协作NOMA网络用户中断性能进行分析，提出了两阶段中继选择策略(TwoStageRelaySelectionStrategy,TSRS)。结果表明：相较于传统的最大-最小中继选择策略，所提出的两阶段中继选择策略下协作NOMA网络用户整体中断概率更低，中断性能更优。
另一方面，认知无线电(CognitiveRadio,CR)是可以提升系统频谱效率的有效途径之一[8]。研究表明，将NOMA结合到认知网络中可以更进一步提升频谱效率、改进系统性能[9-10]。文献[9]将协作NOMA与认知网络相结合，选定最佳次级用户作为中继节点，协作主用户以及其它次级用户的通信。结果表明：相较于非协作CR-NOMA网络，所提出的协作CR-NOMA网络下，主用户与次级用户中断性能均更优。文献[10]针对协作CR-NOMA网络，提出了两阶段中继选择方案。推导了两阶段中继选择策略下次级用户中断概率表达式，研究表明：相比于部分中继选择方案(PartialRelaySelectionStrategy,PSRS)，所提出的TSRS下次级用户中断性能更优。
对于协作中继网络，中继转发用户信息时所需的能量不可忽略。无线携能通信(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer,SWIPT)技术可以为有限能量的节点提供稳定可控的能量补给，将SWIPT应用于协作中继网络能有效解决中继能量开销问题[11]。近年来，将SWIPT技术结合应用到协作网络获得更多关注[12-15]。文献[12]针对能量受限的中继节点，提出了时间切换中继(TimeSwitching-BasedRelaying,TSR)协议与功率划分中继(PowerSplitting-BasedRelaying,PSR)协议以划分信息传输与能量收集两个部分。文献[13]针对采用SWIPT的多中继协作网络，利用随机几何学表征不同中继选择策略下系统中断概率与分集增益。结果表明，采用SWIPT的协作NOMA网络可获得与传统自供电协作网络相同的分集增益。文献[14]针对采用SWIPT的协作NOMA网络，提出一种新的协作SWIPT-NOMA协议：距离源节点更近的用户充当中继协作转发远端用户信息。研究表明：当系统参数(如目标速率、功率分配系数等)设置恰当时，采用SWIPT的协作NOMA网络中断性能也能得到保证。文献[15]对采用SWIPT的协作CR-NOMA网络中断性能进行分析，结果表明：相较于采用SWIPT的协作CR-OMA网络，采用SWIPT的协作CR-NOMA网络有更佳的整体中断性能。
实际通信系统中，因为NOMA接收端接收设备存在硬件限制、信道估计时存在误差等多重因素影响，接收端进行非理想SIC，即接收端采用SIC时不能完全消除用户间干扰[16]。文献[17]对非理想SIC下底层协作CR-NOMA网络中断性能进行研究，推导分析了各次级用户中断概率闭合表达式，结果表明：非理想SIC导致次级用户中断性能下降。文献[18]将车联网引入到CR-NOMA网络中，研究了非完备CSI与非理想SIC情况下次级用户中断性能。研究表明：在系统参数设置适当时，非完备CSI与非理想SIC会降低次级用户中断性能。
本文针对采用SWIPT的多中继协作CR-NOMA网络，在非理想SIC下，提出一种两阶段中继选择策略。在干扰阈值限制下，推导了各个次级用户端中断概率闭合表达式。结果表明：在合适的系统参数(功率分配系数、能量分配系数等)设置下，相比于部分中继选择策略，两阶段中继选择策略下次级用户中断性能更佳。
2系统模型
5总结
本文研究了协作底层SWIPT-CR-NOMA网络中，非理想SIC下次级用户的中断性能具体体现。两阶段中继选择策略用于选定中继进行解码转发，结果表明在所提的两阶段中继选择策略下，次级用户的中断性能要显著优于部分中继选择策略下的次级用户中断性能。在理想SIC及非理想SIC下，讨论了相关系统参数对次级用户中断性能的具体影响。结果表明通过选取适当的系统参数(如最大发射功率、干扰阈值、功率分配系数等)，次级用户中断性能可以得到大幅度提升。此外，扩增中继的数目可以有效改进系统中断性能，在未来大量机器类型通信中，本文系统模型具有实际应用参考价值。最后，进一步研究方向将考虑当中继采用时间划分协议进行SWIPT时次级用户中断性能体现，以及有关于功率分配系数等参数优化内容。——论文作者：张良梅贺玉成吴舒婷周林
相关期刊推荐：《信号处理》是国内唯一有关信号处理专业后级学术期刊。本刊是反映信号处理领域内的新理论、新思想、新技术及具有国内外先进水平的最新研究成果和技术发展的刊物。设有：论文与技术报告、算法研究、综述、应用、短文与研究通讯等栏目。
转载请注明来自：http://www.lunwencheng.com/lunwen/dzi/20896.html
