IDMA-NOMA系统交织及功率分配技术研究

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相对于正交多址接入技术,非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)具有更大通信容量、更高数据传输速率和更强接入能力,可以满足第六代(6th Generation,6G)移动通信系统性能需求,受到国内外学术界和产业界的广泛关注。交织多址接入(Interleave Division Multiple Access,IDMA)技术和基于正交频分复用接入技术的功率域NOMA技术作为典型的非正交多址接入技术,采用级联方式建立IDMA-NOMA系统,可以充分利用码域、交织域、功率域和时频域资源。为获得低复杂度、高公平性和高能效的IDMA-NOMA系统,本文提出了IDMA-NOMA系统交织算法、基于公平性的功率分配算法和能效最优的功率分配算法。论文主要研究内容包括:(1)研究IDMA-NOMA系统交织算法。在IDMA-NOMA系统中,交织器的有效设计、交织和解交织算法,直接影响迭代多用户检测算法复杂度。针对该问题,从四个方面开展相关研究:1)为满足交织距离、平衡度、相关等性能要求,首先通过Logistic混沌系统李雅普诺夫指数,确定处于混沌状态的定点Logistic序列量化比特长度;再基于平衡度和互相关门限,确定定点Logistic序列开始位置和初值,最终生成定点Logistic交织序列并应用于(解)交织过程。2)为进一步降低定点Logistic序列生成过程时延,提出任意量化比特长度的现场可编程逻辑门阵列(Field Programmable Gate Array,FPGA)生成算法。该算法首先采用查表法构建非对称基本乘法器,再采用移位相加法计算总乘法器,最后将定点Logistic序列双极性化。3)为降低多用户检测过程中交织和解交织算法存储空间和计算复杂度,将双极性化Logistic序列与待(解)交织序列对应相乘完成(解)交织。4)为便于FPGA计算多用户检测过程中发送数据均值,采用分段多项式方法进行拟合,在确保拟合精度的前提下,避免定点乘法过程越界问题。仿真结果表明,所提方案可以获得较好的误码率性能。(2)研究基于公平性的IDMA-NOMA系统功率分配算法。在IDMA-NOMA系统中,对基站中心和边缘用户进行有效功率分配,不仅可以提高用户系统能效,而且能够体现用户之间公平性。为此,从两个方面开展相关研究:1)为更好体现用户公平性,首先根据子载波复用用户数,对用户进行初始分组并采用分数功率分配算法初始功率系数;再以几何平均加权系统容量(Geometric Mean Weighted System Capacity,GMWSC)为目标,依次搜索当前用户分组和相邻用户分组最优用户分组组合,并对已分组用户进行功率分配。2)为进一步降低功率分配算法复杂度,当用户静止或低速运动时,在前一时刻用户最优功率系数附近,以GMWSC为目标,通过调整功率分配步长和校正粒度,搜索当前用户最优功率系数。仿真结果表明,所提方案能够有效降低功率分配算法复杂度,相对于分数功率分配算法,GMWSC性能提升了约2.3%。(3)研究能效最优的IDMA-NOMA系统功率分配算法。在认知无线电(Cognitive Radio,CR)网络中,主/次用户采用IDMA-NOMA技术,可以提高频谱效率。为延长CR网络次用户待机时间,针对上行频谱共享模式,以功耗率有效范围、系统容量、次用户最小通信质量和串行干扰消除有效性为约束条件,建立能效最优的功率分配模型,并给出该模型的求解方法。该方法包括内层子载波功率分配和外层能效优化两个子问题。对于内层子载波功率分配问题,基于次用户最小通信质量和串行干扰消除有效性,以子载波容量为优化目标,采用凸差算法求解。对于外层能效优化问题,以最大化系统能效(System Energy-Efficiency,SEE)为优化目标,采用丁克尔巴赫算法求解。仿真结果表明,所提方案具有更快的收敛速度,相对于分数功率分配算法,SEE性能提升了约11%。
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