面向6G的NOMA系统功率分配关键技术研究

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随着第五代移动通信技术的商用,移动用户数量不断增长,各种应用场景下的信息传输需求和能量供应需求日益多样化,这些都给移动通信网络的设计带来巨大的挑战。在第五代移动通信以及面向未来的第六代移动通信中,非正交多址接入(Non-Orthgonal Multiple Access,NOMA)技术因其能够满足用户体验需求、提高频谱效率而受到人们的广泛关注。NOMA和协作通信技术融合下的协作NOMA技术通过视距用户的中继来服务非视距用户,极大地扩展NOMA技术的上限,有效改善用户的体验。然而,在传统协作NOMA系统中,功率分配向弱用户倾斜,通常忽略了承担中继任务的强用户的负担。此外,不同用户的不同服务质量(Quality of Service,QoS)要求在传统NOMA系统中也鲜少考虑。NOMA系统中资源的有效分配成为学术界的研究重点。本论文从上述问题出发,聚焦于NOMA系统中的资源分配问题,针对两种不同的通信场景,分别提出了对应的功率分配方法。本论文的主要工作如下:针对传统协作NOMA场景下,强用户通常承担中继通信的任务,然而系统分配给强用户的功率较少,造成强用户负担较重的问题,本论文提出一种基于中继和无线携能通信的新型功率分配方案。该方案使用能量收集设备收集能量,通过最大化系统和速率寻求无线携能通信的最优功率分割因子,并进一步推导了系统中断概率的闭式表达;依据优化问题的属性,提出了一种在功率分配固定的情况下,通过单调优化求解无线携能通信功率分割因子的算法。仿真结果表明,与传统协作NOMA系统的功率分配方案相比,所提方案能够在满足弱用户QoS的前提下,有效降低强用户的中断概率,系统和速率总体提高了近20%。智能反射面(Intelligent Reflecting Surface,IRS)亦可被视为通信网络中具有特殊功能的“中继”来配合NOMA系统构建一种协同的信息传输方案。考虑到未来物联网场景下不同用户设备对通信QoS的不同需求,本论文提出一种IRS辅助的NOMA系统通信模型,针对两类用户(信息用户和能量用户)的QoS需求设计了一种基于迭代优化的功率分配方法。该方法通过联合设计IRS的相移矩阵、基站的波束赋形以及NOMA的串行干扰消除顺序来最小化系统的总发射功率,以全面减轻通信系统中基站的能耗负担。仿真结果表明,与无IRS的场景相比,基于IRS的NOMA系统可有效减小基站的能耗;在有IRS的场景下,所提功率分配方法的能耗明显低于IRS端随机选择相位的方式和基站端直接采用迫零波束赋形的方式。
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