陸音，陳繼榮，卞皓偉，朱洪波,3

（1.南京郵電大學物聯(lián)網(wǎng)學院，江蘇 南京 210003；2.南京郵電大學江蘇省無線通信重點實驗室，江蘇 南京 210003；3.南京郵電大學教育部泛在網(wǎng)絡健康服務系統(tǒng)工程研究中心，江蘇 南京 210003）

1 引言

在萬物互聯(lián)時代，信息技術與通信技術不斷地交叉和融合，形成了信息和通信技術（ICT,information and communications technology）。近年來熱度頗高的ABCDEFG，即人工智能（AI,artificial intelligence）、區(qū)塊鏈（blockchain）、云計算（cloud computing）、大數(shù)據(jù)（big data）、生態(tài)（ecology）、人臉識別（face recognition）、5G 網(wǎng)絡等都屬于ICT范疇。移動通信與計算是ICT 領域的兩大核心技術。為了突破傳統(tǒng)移動通信發(fā)展的瓶頸，通信與計算在系統(tǒng)層面的融合成為一個重要的發(fā)展方向[1]。文獻[1]指出，在接入網(wǎng)中，移動通信無線傳輸?shù)难芯恳恢敝铝τ谔嵘l譜利用率，逼近香農容量理論極限。任何一種移動傳輸技術都離不開計算，并且計算在其中所起的作用越發(fā)重要。通信與計算融合能有效降低移動通信網(wǎng)絡部署與維護成本，以及對系統(tǒng)的容量需求，從而提升系統(tǒng)支撐業(yè)務的能力。

為了“面向未來”，5G 已經(jīng)成為全球無線通信領域的研究熱點。多樣化的應用場景以及倍數(shù)增長的性能指標導致了無線頻譜資源的日益匱乏，這對5G 的多址接入技術提出了苛刻的要求[2-3]。在現(xiàn)有的多址接入技術中，非正交多址接入（NOMA,non-orthogonal multiple access）技術脫穎而出。研究表明，NOMA 技術以不同功率將多個信息流在時域/頻域/碼域重疊的信道上傳輸[4]，在相同無線資源上為多個用戶同時提供無線業(yè)務，通過通信與計算的融合，可顯著提高系統(tǒng)頻譜效率和用戶接入能力，降低用戶調度信令開銷，縮短接入時延，降低終端能耗[5-9]。

認知無線電（CR,cognitive radio）被認為是一種提高頻譜效率的有效方法，通過對空閑授權頻段的再次利用，提高了無線頻譜的利用率，成為解決無線頻譜資源匱乏問題的重要途徑[10-11]。在CR 系統(tǒng)中，次用戶（SU,secondary user）必須使用較低的發(fā)送功率以保障主用戶（PU,primary user）的傳輸質量，從而限制SU 的傳輸速率和通信范圍[12]。文獻[13]指出，NOMA 是CR 的特例。信道條件差的用戶被視為主用戶，而信道條件好的用戶被視為次用戶。通過將NOMA 引入CR 系統(tǒng)（以下稱為CR-NOMA），可以大大增加SU 訪問授權頻譜的機會[14]。例如，如果采用傳統(tǒng)的多址接入方式，即使信道條件較差，分配給PU 的正交頻譜也不能被SU 接入，從而導致SU的服務時延較長，系統(tǒng)吞吐量較低。CR-NOMA 保證了PU 和SU 可以同時使用，而不會導致PU 的性能下降太多，有效地提高了頻譜利用率。

在萬物互聯(lián)時代，CR-NOMA 與協(xié)作通信相結合，可以提升頻譜利用率，增強網(wǎng)絡覆蓋范圍，提高通信可靠性，從而提升網(wǎng)絡性能，這對CR-NOMA研究具有重要意義。文獻[15]指出，多播服務如何利用協(xié)作傳輸進一步提高CR-NOMA 系統(tǒng)性能，是一個有待解決的問題。協(xié)作CR-NOMA 的核心思想在于，多個SU 可以為獲得訪問PU 頻譜的機會提供補償[16-20]。換言之，在連續(xù)干擾消除（SIC,successive interference cancellation）的幫助下，發(fā)送給PU 的信息可以由SU 解碼。因此，這些SU 可以作為潛在的中繼，協(xié)助SU 源節(jié)點的數(shù)據(jù)傳輸，不但增大了無線傳輸?shù)目臻g分集增益，使頻譜利用率進一步提高，而且能夠增強SU 的抗衰落能力，提高CR-NOMA 系統(tǒng)的性能[21-23]。

文獻[24]將NOMA 應用于底層無線電網(wǎng)絡，利用隨機幾何對其性能進行了分析，但沒有對協(xié)作傳輸方案進行研究。文獻[25]著重于節(jié)能式兩階段協(xié)作多播傳輸，在確保實際覆蓋率的同時將總傳輸功率降至最低。在文獻[25]的基礎上，文獻[26]研究了用戶密度對能量效率的影響，進一步挖掘了兩階段協(xié)作多播傳輸方案的性能。文獻[27]提出了正交多址接入（OMA,orthogonal multiple access）基于最佳用戶轉發(fā)的協(xié)作多播方案，即Max-Min 準則。該方案可取得滿分集增益，分集增益階數(shù)等于次用戶數(shù)目，克服了最佳中繼轉發(fā)協(xié)作多播[28-32]的可靠性隨用戶數(shù)目增長而惡化的不足。文獻[15]將該方案應用在CR-NOMA 系統(tǒng)中，把單播用戶設為主用戶，多播用戶設為次用戶，根據(jù)多播用戶之間的信道增益再選擇最佳轉發(fā)節(jié)點。文獻[15]證明了基于最佳次用戶轉發(fā)的協(xié)作多播方案中，次用戶的分級增益等于多播用戶數(shù)，協(xié)作多播的可靠性也隨著次用戶數(shù)目增加而提高。該方案雖然充分考慮了多播用戶的可靠性，但是單播用戶卻沒有得到保證，只有兩階的分集增益階數(shù)。

本文在文獻[15]的基礎上，提出了一種新型機會式NOMA 協(xié)作多播方案，并構造多播候選集的二級協(xié)作Max-Min 準則。首先剔除信道增益較差的多播用戶，然后根據(jù)候選多播用戶集和單播用戶之間的信道增益，從多播用戶集中選擇最佳轉發(fā)節(jié)點。本文所考慮的場景可以直接應用于當前的蜂窩網(wǎng)絡，其中本地SU 可能擁有附近接收方的通用數(shù)據(jù)分組，例如，本地銷售人員可以向碰巧在附近的人發(fā)送相同的廣告消息，而PU 位于該小區(qū)邊緣。仿真結果表明，本文方案在確保多播用戶接收可靠性的前提下，能最大限度地提高單播用戶獲得的分集增益，相比于原方案在主用戶可靠性上有了提高，性能得以改善。

2 系統(tǒng)模型

下行CR-NOMA 系統(tǒng)模型如圖1 所示。在該系統(tǒng)中，基站（BS,base station）給一組主用戶發(fā)送單播信息（稱為單播用戶），給一組次用戶發(fā)送多播信息（稱為多播用戶），N個多播用戶{d1,…,dN}和M個單播用戶{p1,…,pM}組成NOMA 協(xié)作多播場景。通過使用NOMA 信令，享有高優(yōu)先級的PU 消息和低優(yōu)先級的SU 消息同時從BS 傳輸。假設所有節(jié)點都配備一根天線，在半雙工模式下工作，系統(tǒng)中所有鏈路的信道衰落因子彼此獨立且服從不同參數(shù)的隨機概率分布。每個節(jié)點的總發(fā)射功率為P，加性高斯白噪聲由一個均值為0、方差為N0的復高斯變量表示。為提高系統(tǒng)頻譜效率及多播業(yè)務可靠性，系統(tǒng)將單播用戶與多播用戶在相同無線資源接入，并由多播用戶向單播用戶轉發(fā)信息，提高單播用戶接收信號質量，獲取分集增益。

圖1 下行CR-NOMA 系統(tǒng)模型

假設BS 與多播用戶dn之間鏈路的信道衰落因子為hb,n，BS 與單播用戶pm之間鏈路的信道衰落因子為hb,m，多播用戶dn與單播用戶pm之間鏈路的信道衰落因子為hn,m，多播用戶dn與多播用戶dn'之間鏈路的信道衰落因子為hn,n'。

為確保多播用戶接收信號質量，構造一個僅包含信道質量較好多播用戶的用戶候選集φ。首先將基站BS 與各多播用戶間信道增益按照升序排列為

其中，|hb,n|2表示按照升序排列后第n個信道的增益值。根據(jù)排序結果，將最大的q個信道增益值對應的多播用戶選擇為候選多播用戶，構造多播用戶候選集??{d(N?q+1),d(N?q+2),…,d(N)}，其中，q為預設的多播用戶候選集基數(shù)，d(n)對應信道增益為|hb,n|2的多播用戶。候選用戶集中的多播用戶到基站的信道條件較好，后續(xù)選擇最佳轉發(fā)用戶時，能夠減小差錯。因為剔除了一些信道條件差的用戶，所以能夠減少節(jié)點之間的交互，降低開銷。

在CR-NOMA 系統(tǒng)中，從多播用戶候選集φ中最優(yōu)地選擇一個多播用戶dn*與單播戶同時接入，由多播用戶dn*轉發(fā)單播用戶信息。由于多播用戶采用“解碼?轉發(fā)”機制，即解碼成功后對單播用戶信息重新編碼調制并轉發(fā)，單播用戶接收到的轉發(fā)信號不受“基站?多播用戶”鏈路的信道質量影響。當存在至少一個單播用戶解碼失敗時，單播傳輸中斷，故單播傳輸可靠性受制于接收信號質量最差的單播用戶。綜合上述兩方面原因，本文根據(jù)“候選多播用戶?單播用戶”鏈路的信道增益，設計了如式(2)所示的Max-Min 最佳多播用戶選擇準則。

通過該準則選擇的最佳多播用戶，可最大化多播用戶最差轉發(fā)鏈路的信道增益，進而最大限度地提高轉發(fā)鏈路的最低信噪比（SNR,signal to noise ratio）。

3 轉發(fā)策略

本文方案包含系統(tǒng)調度、直接傳輸和協(xié)作轉發(fā)3 個階段，其中，系統(tǒng)調度占用M+5 個時長為t0的調度子時隙，直接傳輸和協(xié)作轉發(fā)各占用一個時長為T0的傳輸時隙，t0?T0。本文方案時隙如圖2 所示。

圖2 本文方案時隙

本文方案的流程如圖3 所示，具體步驟如下。

步驟1在調度子時隙0，基站廣播信道增益獲取請求信號，多播用戶dn通過接收參考信號獲取信道增益。

步驟2在調度子時隙1，各個多播用戶開啟一個本地計時器，計時器的初始值為，設置完成后開始倒計時，當計時器倒計時至0 時，廣播自身ID。在調度子時隙1 結束后，基站構造候選集φ的ID 序列，其中ID(n)表示基站收到的第n個ID。

步驟3在調度子時隙2，基站廣播多播用戶候選集φ的ID 序列。在收到后，各多播用戶自主決定是否成為候選多播用戶。若包含多播用戶dn的ID，則多播用戶dn進入候選狀態(tài)，否則多播用戶dn進入空閑狀態(tài)并保持靜默。

圖3 本文方案的流程

步驟4在調度子時隙3，各單播用戶廣播協(xié)作鏈路信道增益獲取請求信號。在收到該請求后，各單播用戶準備在調度子時隙4 至調度子時隙M+3中分別發(fā)送參考信號，各候選多播用戶準備接收參考信號。

步驟5在調度子時隙4 至調度子時隙M+3，單播用戶廣播信道增益獲取請求信號，候選多播用戶dn根據(jù)收到的參考信號獲取信道增益|hn,m|2。當調度子時隙M+3 結束時，dn獲取了自身與所有單播用戶鏈路間信道增益，并基于此計算最差轉發(fā)鏈路信道增益。

步驟6在調度子時隙M+4，候選多播用戶dn重新開啟一個本地計時器，將初始值設為并開始倒計時。率先倒計時至零的候選多播用戶dn廣播信令“最佳用戶”及相應的IDn*，其他候選多播用戶收到該信令后取消計時器，進入空閑狀態(tài)并保持靜默，基站收到該信令后準備開始傳輸。

步驟7在傳輸時隙0，基站根據(jù)收到的IDn*構造混合發(fā)送信號SBC(t)并發(fā)送。首先，BS分別對單播用戶和多播用戶d(N?q+1),d(N?q+2),…,d(N)需要的原始信息進行編碼調制，構造相應的單位功率信號S0(t)和S1(t)。接著，BS 根據(jù)預設功率分配比例，將可用發(fā)送功率PBS在信號S0(t)和S1(t)之間分配?；緸樾盘朣0(t)分配的發(fā)送功率為a0PBS，為信號S1(t)分配的發(fā)送功率為a1PBS，其中，a0和a1為功率分配因子，滿足a0+a1=1。最后，基站將經(jīng)功率分配后的2 個信號疊加，生成發(fā)送信號，如式(3)所示。

BS 向單播用戶和所有多播用戶廣播發(fā)送信號SBC(t)。經(jīng)無線信道傳輸后，多播用戶dn*的接收信號為

多播用戶dn*接收到混合信號后，先解碼單播用戶信號，相應的解碼信干噪比（SINR,signal-to-interference-plus-noise ratio）為

通過SIC 移除單播用戶信號后，多播用戶dn*解碼自身期望信號，相應的解碼SNR 為

此時隙結束時，多播用戶dn*利用SIC 先解碼單播用戶信號，再解碼期望信號。

步驟8在傳輸時隙1，多播用戶dn*將獲取的單播用戶信息重新編碼調制并轉發(fā)。若多播用戶dn*解碼成功，則對獲取的單播用戶信息重新編碼調制，得到包含單播用戶信息的單位功率信號S0(t)，并以功率Pd向所有單播用戶轉發(fā)該信號。單播用戶pm接收到轉發(fā)信號后，將該信號與直接傳輸階段的接收信號合并后進行解碼，合并后的SINR 為

其中，G(x1,x2,…)表示合并器輸入?輸出SNR 函數(shù)，該表達式取決于單播用戶合并信號方式。以最大比合并和選擇式合并為例，G(x1,x2,…)可表示為如式(9)所示形式。

若多播用戶dn*解碼失敗，則不轉發(fā)信息，單播用戶pm解碼直接傳輸階段的接收信號，其SINR 為

此時隙結束時，單播用戶pm將該信號與來自基站的接收信號合并后解碼。

4 性能分析

4.1 開銷分析

本文方案的開銷分析如下。

通信開銷。步驟1 中基站發(fā)送參考信號一次，步驟2 中各多播用戶廣播ID 信息共N次，步驟3中基站廣播多播用戶候選集ID 序列一次，步驟4中基站廣播信令一次，步驟5 中各單播用戶發(fā)送參考信號共M次，步驟6 中多播用戶廣播ID 信息一次。因此，本文方案的通信開銷為N+M+4。

計算開銷。步驟2 中各多播用戶設置本地計時器初始值的開銷為N，基站構造多播用戶候選集ID 序列的開銷為N，步驟5 中各候選多播用戶計算最差轉發(fā)鏈路信道增益的開銷共為qM，步驟6 中各候選多播用戶設置本地計時器初始值的開銷共為q。因此，本文方案的計算開銷為qM+2N+q。

信號處理開銷。本文方案中僅有多播用戶dn*使用SIC 解碼2 次。

綜上，本文方案總開銷至多為O(MN)，其中，基站開銷為O(N)，各單播用戶開銷至多為O(M)，各多播用戶開銷為O(1)。

4.2 多播可靠性分析

假設多播用戶dn*和單播用戶{p1,…,pM}的目標速率分別為Rd和Rp。

本文方案中多播用戶dn*需要從混合信號中先解碼單播用戶信號，再解碼期望信號，這兩次解碼中的任意一次解碼失敗均可導致多播用戶解碼失敗。因此，多播用戶dn*的中斷概率可表示為

其中，?定義為，λb,n*定義為|hb,n*|2的均值。定義發(fā)送 SNR 為，可得多播用戶dn*的中斷概率表達式為

式(11)中等式(a)成立的條件是(a0-a1τd)＞0，該條件由基站的信號間功率分配和傳輸速率的設置來保證。由于dn*∈φ，則有|hb,n*|2≥|hb,N-q+1|2，將該不等式代入式(11)，得到的上界為

根據(jù)排序統(tǒng)計理論和概率統(tǒng)計理論，式(13)的中斷概率上界可在瑞利衰落下進一步表示為

其中，card(X)表示集合X的基數(shù)，n'表示θi在集合{1,…,N}中的補集。根據(jù)發(fā)送SNR 定義，由式(14)可進一步得到的漸進上界為

由式(15)可知，多播用戶dn*可取得的分集增益至少為=N?q+1。

文獻[15]的方案也分為2 個傳播階段。第一階段，基站發(fā)送疊加信號給多播用戶和單播用戶，將能夠同時解碼疊加信號的多播用戶的集合稱為成功解碼集合，記為D。第二階段，從D中選出最佳多播用戶，記為s。但不同于本文方案根據(jù)候選多播用戶與單播用戶之間最差鏈路信道增益最大化的考慮，文獻[15]方案考慮的是成功解碼集合D和失敗解碼集合之間最差鏈路信道增益最大化。當ρ→∞時，中斷概率表達式為

由式(16)可知，多播用戶s取得滿分集增益。

由式(15)和式(16)可知，因為剔除了一定數(shù)目信道條件差的多播用戶，本文方案多播用戶分集增益略少于文獻[15]方案的多播用戶分集增益，保障了多播業(yè)務的傳輸可靠性。

4.3 單播可靠性分析

當至少有一個單播用戶未解碼成功時，單播傳輸中斷，中斷概率可表示為

本文采用選擇式合并，G(x,y)=max(x,y)。由文獻[15]的定理2 可推導出單播用戶中斷概率的表達式為

其中，?定義為，ζ定義為，λb,m定義為|hb,m|2的均值。根據(jù)文獻[15]附錄B，將本文Pr(n*=n)定義為

由式(9)可知，G(x,y)=max(x,y)，代入式(17)可得的上界為

當a0-a1τd＞0 時，ω1在瑞利衰落下的解析表達式和高信噪比漸進表達式為

ω2在瑞利衰落下的上界及漸進上界為

其中，λn,m定義為|hn,m|2的均值。聯(lián)立式(15)及式(20)～式(22)，可得

在文獻[15]方案中，單播用戶P'的中斷概率為

由式(24)可知，文獻[15]方案的單播用戶分集增益只有2，但是通過本文設計的最佳多播用戶轉發(fā)機制，單播用戶至少可取得q+1 階分集增益。只要進行了候選集的挑選（q≥1），即可獲得不少于文獻[15]方案的分集增益，有效地改善了單播業(yè)務的傳輸可靠性。

5 仿真分析

在瑞利衰落信道下，對本文方案和文獻[15]中沒有選擇基數(shù)的CR-NOMA 方案進行了仿真對比。

為了不失普遍性，基站和主用戶PU 分別位于坐標(0,0)和(1,1)，次用戶均勻地分布在第一象限1×1 大?。w一化處理）的正方形區(qū)域內。平均信道增益設置為，di,j為節(jié)點i和j之間的歸一化距離，η為路徑損耗系數(shù)。對應于城市蜂窩網(wǎng)絡環(huán)境，η設置為3。對于瑞利衰落場景，設置Rp=1 bit/(s.Hz?1)，Rd=1.5 bit/(s.Hz?1)。與文獻[15]設置的功率分配系數(shù)相同，在NOMA 系統(tǒng)中，為了保證分配給主用戶的功率系數(shù)大于分配給次用戶的，本文將第一階段和第二階段中的主用戶和次用戶功率分配系數(shù)分別設置為0.8 和0.2，這樣保證了較理想的仿真環(huán)境，能更好地比較2 種方案的性能。根據(jù)?的定義，功率分配系數(shù)對?的影響是幾何級，并不影響多播用戶和單播用戶的中斷概率。

圖4 主用戶分集增益與次用戶分集增益折中關系

圖5 顯示了2 種方案下主用戶中斷概率隨SNR的變化情況?？梢钥闯?，未選擇基數(shù)的CR-NOMA單播用戶的中斷概率最高，候選集基數(shù)為2 時相較于未選擇基數(shù)的CR-NOMA 方案中斷概率降低，這是因為在構造候選集時剔除了信道條件很差的節(jié)點，減少了節(jié)點轉發(fā)之間額外的信道損耗和開銷?；鶖?shù)為3 時用戶的中斷概率相較于基數(shù)為2 時進一步降低，原因是候選集不僅剔除了信道差的用戶，也考慮了更多信道條件較好的用戶，能夠根據(jù)主用戶和次用戶之間的信道增益選擇更優(yōu)的轉發(fā)節(jié)點，而不是像文獻[15]中僅僅考慮次用戶之間的信道增益，故減小了系統(tǒng)中斷概率。此外，分析結果也和模擬值相符合，漸近線在高信噪比區(qū)域給出了嚴格的邊界。

圖5 主用戶中斷概率隨SNR 變化情況

圖6 顯示了2 種方案下次用戶中斷概率隨SNR 的變化情況。未選擇基數(shù)的CR-NOMA 單播用戶的中斷概率和候選集基數(shù)分別為2 和3 時用戶的中斷概率依次上升。文獻[15]中的方案計算次用戶中斷概率時將所有N個次用戶發(fā)生中斷概率的情形考慮進去，該方案的分集增益為N，即中斷概率上界為；本文方案考慮N個用戶中q個信道條件較好節(jié)點的中斷概率，根據(jù)4.2 節(jié)的可靠性分析可知，本文方案的分集增益為q-1，即中斷概率上界為。在同等條件下，q-1＜N，隨著基數(shù)的上升，次用戶的中斷概率也會上升。對比圖5 和圖6 可以發(fā)現(xiàn)，次用戶中斷概率的上升并不明顯，主用戶中斷概率下降的幅度很大。由此可以得出，本文方案在減少次用戶損失的前提下，能更好地提高主用戶的性能。

圖6 次用戶中斷概率隨SNR 變化情況

6 結束語

本文首先建立了基于認知無線電的NOMA 下行鏈路傳輸模型，研究了通信系統(tǒng)在用戶之間選擇中繼的優(yōu)化問題。在已有方案的基礎上提出一種能同時滿足系統(tǒng)主用戶可靠性和次用戶可靠性的折中方案。改進后的方案能在減少次用戶性能損失的同時提升主用戶的性能。本文提出的新型機會式NOMA 協(xié)作多播方案將多播用戶按照信道增益優(yōu)劣進行排序，構造出由若干信道條件較優(yōu)的用戶組成的候選集，并根據(jù)主次用戶的信道條件選出最佳節(jié)點給主用戶轉發(fā)信息，從而減少了節(jié)點之間的不必要損耗和系統(tǒng)開銷。仿真結果表明，本文方案保證了次用戶較高的分集增益，實現(xiàn)了主用戶分集增益的提升，合理選擇候選集基數(shù)能夠折中次用戶和主用戶可靠性，獲得系統(tǒng)的最佳性能。