NOMA物聯(lián)網(wǎng)通信的能耗最小化問題

“摘要：隨著大規(guī)模MIMO和物聯(lián)網(wǎng)的普及，能源效率(Energy Efficiency,EE)優(yōu)化問題將是未來5G發(fā)展面臨的挑戰(zhàn)，其中多個用戶可以在相同子信道上復(fù)用的NOMA技術(shù)表現(xiàn)出更大的吸引力。假設(shè)完全了解信道狀態(tài)信息，基站根據(jù)最大比分配原則將具有最大分配因子的機(jī)器設(shè)備分配給用戶設(shè)備，在上行鏈路中采用了一種子信道與用戶設(shè)備雙邊匹配算法，通過基于NOMA的功率控制和時間調(diào)度，使得系統(tǒng)中的EE最優(yōu)。仿真結(jié)果表明，與現(xiàn)有的方案相比，提出的優(yōu)化方案能耗降低了6%以上?！?/p>

0 引言

隨著無線通信技術(shù)的發(fā)展和智能設(shè)備的普及，物聯(lián)網(wǎng)（Internet of Things，IoT）得到快速發(fā)展[1]。IoT是一種智能網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，即把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)的主要目標(biāo)是最大限度地利用物理世界的硬件對象通信，并將這些對象收集的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為有用的信息，而不需要人為的幫助。不同于常規(guī)人類通信，在物聯(lián)網(wǎng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，機(jī)器類型通信設(shè)備(Machine Type Communication Device，MTCD)具有自己獨(dú)特的特征：大量設(shè)備、時間控制、小數(shù)據(jù)傳輸、超低功耗等。大規(guī)模的接入控制將是物聯(lián)網(wǎng)通信面臨的重大挑戰(zhàn)。

為了應(yīng)對這個挑戰(zhàn)，一種有效的方法是在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中部署機(jī)器型通信網(wǎng)關(guān)(Machine Type Communication Gateway，MTCG)作為中繼器為MTCD服務(wù)[2]?？紤]到用戶設(shè)備(User Equipment，UE)具有比MTCD更大的功率和存儲空間，文獻(xiàn)[3]中提出了將UE配置為MTCG的無線資源分配方案。最近，在下行蜂窩網(wǎng)絡(luò)中引入了非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)[4]。與TDMA不同，NOMA是在發(fā)送端疊加多個用戶信號，共用相同的時域、頻域資源，采用功率復(fù)用的設(shè)計思想，在同一個子信道同時為多個用戶提供服務(wù)。因此，NOMA技術(shù)對具有同時服務(wù)大量用戶的能力的物聯(lián)網(wǎng)通信顯得很有吸引力[5]。

然而，由于機(jī)器類型通信設(shè)備總是配置為低功耗，能效優(yōu)化問題對物聯(lián)網(wǎng)通信很重要。關(guān)于NOMA物聯(lián)網(wǎng)通信，現(xiàn)有工作主要集中在IoT系統(tǒng)中的傳感器選擇問題[6]。在文獻(xiàn)[7]中提出了一種多目標(biāo)傳感器選擇方案。文獻(xiàn)[8]中提出了一種機(jī)器類通信功率控制和時間調(diào)度方案。文獻(xiàn)[9]中提出了一種低復(fù)雜度NOMA功率分配算法。

文獻(xiàn)[10]中提出了一種物聯(lián)網(wǎng)的能效架構(gòu)，通過預(yù)測傳感器的睡眠間隔來節(jié)省能耗。文獻(xiàn)[11]提出了一種能效優(yōu)化的綜合系統(tǒng)模型，通過天線選擇睡眠機(jī)制來優(yōu)化基站的EE。文獻(xiàn)[12]中考慮了下行鏈路非正交多址網(wǎng)絡(luò)的高效資源分配，通過優(yōu)化子信道和功率分配，以最大限度地提高NOMA網(wǎng)絡(luò)的能量效率。

針對NOMA物聯(lián)網(wǎng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)，基于上行鏈路能耗最小化問題[8]，MTCDs到UEs的傳輸中，基站根據(jù)UE的電池電平和MTCD與UE的距離，將MTCD分配給具有最大分配因子的UE，UE所服務(wù)的MTCD使用NOMA向UE發(fā)送數(shù)據(jù)。充當(dāng)MTCG的UE可以解碼和轉(zhuǎn)發(fā)MTCDs的信息，并將自己的數(shù)據(jù)直接發(fā)給基站。在上行鏈路中，采用了一種子信道與用戶設(shè)備雙邊匹配算法，組內(nèi)用戶使用NOMA的方式向基站發(fā)送數(shù)據(jù)。與現(xiàn)有的研究相比，提出的方案能效明顯提升。

1 系統(tǒng)模型

1.1 SDN到UE的問題制定

其中，P=(p1，…，pD)T，t=(t1，…，tN)，Dj是在約束時間T1內(nèi)SDNj必須上傳的有效載荷，Pj是SDNj的最大發(fā)射功率。

1.2 UE到基站的問題制定

當(dāng)UEs成功解碼SDNs發(fā)送的消息后，所有UEs向BS天線集發(fā)送數(shù)據(jù)。在發(fā)送數(shù)據(jù)之前用戶和子信道進(jìn)行雙邊匹配。匹配完成以后，每個子信道都復(fù)用使得能效最優(yōu)的用戶，天線l處接收到的信號為：

2 能效優(yōu)化

2.1 SDN到UE的能效優(yōu)化

顯然，式(5)是非凸的，為了將非凸性問題轉(zhuǎn)變?yōu)橥剐詥栴}，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，SDNj的發(fā)射功率pj可以寫為：

所以問題(10)的拉格朗日函數(shù)如式(11)所示：

因?yàn)槭?14)的左邊項(xiàng)隨著λ增大而減小，可以使用二分法來獲得λ的唯一解。得到拉格朗日乘數(shù)λ后，可以由式(12)得到最優(yōu)的t。然后，根據(jù)式(9)獲得最優(yōu)的P。

2.2 UE到BS的能效優(yōu)化

假設(shè)當(dāng)前接入的用戶數(shù)N≥2L，將當(dāng)前的用戶復(fù)用到L個子信道向BS發(fā)送數(shù)據(jù)，考慮到接收端譯碼的復(fù)雜度，設(shè)每個子信道可復(fù)用的用戶數(shù)上限為

子信道與用戶匹配算法：

(1)初始化匹配列表Smatch(l)，以記錄在所有子信道Sl上匹配的用戶。

(2)根據(jù)噪聲歸一化信道響應(yīng)，初始化用戶和子信道的優(yōu)先匹配列表，分別為PF_UE(n)、PF_SC(l)，

(3)初始化未匹配的用戶列表Sunmatch，以記錄尚未分配給任何子信道的用戶。

(4)while {Sunmatch}為非空集合

(5) for n=1 to |{Sunmatch}| //|·|表示集合的基數(shù)

(6) 未匹配用戶根據(jù)它的優(yōu)先列表PF_UE(n)向最優(yōu)的子信道發(fā)送匹配請求。

(7) if |{Smatch}|≤

(8) 子信道l增加用戶n到Smatch(l)，并將用戶n從{Sunmatch}中移除。

(9) end if

(10) if |{Smatch}|=

①子信道l根據(jù)噪聲歸一化信道響應(yīng)比較信道的增益，并將前

②未匹配的用戶列表{Sunmatch}將匹配的用戶移除，增加將被拒絕的用戶到{Sunmatch}。

③被拒絕的用戶從優(yōu)先列表中刪除子信道。

(11) end if

(12) end for

(13) end while

經(jīng)過雙邊匹配以后，得到問題(8)也是非凸的，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，同理可將問題(8)轉(zhuǎn)變成式(15)的凸性問題。

3 數(shù)值結(jié)果

在本節(jié)中，評估提出方案的性能。設(shè)置N=6，B=180 kHz，σ2=-20 dB，Ei=20 kbit，Pj=13 dBm，Qi=33 dBm和T=1 s，i。將SDNs按最大比分配原則均勻分配給UEs，SDNs的數(shù)量取值范圍為D∈[50，100]，分配的子信道數(shù)L=3。此外，在此假設(shè)每個SDNs的有效載荷是相同的，即S1=…=SD=2 kbit，而路徑損耗模型是128.1+37.6log10?d，其中d（以km為單位）為設(shè)備間的距離，陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)偏差為4 dB。

將提出的方案(標(biāo)為“PA-NOMA”)與以下3種NOMA的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方案進(jìn)行比較：(1)等時間共享方案(“ET-NOMA”)，其中ti=tN+1=…=tN+L=T/(N+L)，[3](標(biāo)記為“OPA-TDMA”)，其中，Ji中的設(shè)備通過時分多址上傳它們的數(shù)據(jù)到UEi。

圖3顯示了約束時間T中所有UE和SDN的總能量消耗?？梢钥闯觯琍A-NOMA、ET-NOMA和PTA-NOMA優(yōu)于采用TDMA的功率分配方案OPA-TDMA，特別是當(dāng)SDN的數(shù)量增大時。這是因?yàn)橥粋€UE服務(wù)的SDN可以通過使用NOMA方案同時發(fā)送數(shù)據(jù)，每個SDN的傳輸時間大于使用TDMA方案的傳輸時間，導(dǎo)致NOMA的能量消耗小于TDMA。與TDMA相比，NOMA中有多種額外的信令和處理開銷。由于PA-NOMA是根據(jù)最低要求的有效載荷和信道條件分配的傳輸時間和功率，同時還將用戶設(shè)備分配給最優(yōu)的子信道，根據(jù)文獻(xiàn)[8]，好的信道增益可分配較低的功率，因此與ET-NOMA相比，PA-NOMA的能耗大大降低。與PTA-NOMA相比，當(dāng)用戶數(shù)為50以上，有6%以上的能效降低。

圖4顯示了分配的子信道數(shù)與總的能耗對應(yīng)的關(guān)系。設(shè)置N=4，子信道數(shù)L取值L∈[1，N]，其他條件不變。由圖可知，當(dāng)L=1時，即所有的用戶基于NOMA原理向基站發(fā)送數(shù)據(jù)，即未分子信道，與PTA-NOMA方案相同；當(dāng)L=2時，即將用戶與2個子信道進(jìn)行雙邊匹配，總的能耗低于當(dāng)L=1時的能耗；當(dāng)L=3時，即將用戶與3個子信道進(jìn)行雙邊匹配，總的能耗是最低的；當(dāng)L=4時，即所有的用戶基于TDMA向基站發(fā)送消息，顯然，當(dāng)L=4時，能耗是最大的。從圖4也可看出所提出的優(yōu)化方案明能耗明顯低于其他方案。同時也驗(yàn)證了圖3得出的結(jié)論。

4 結(jié)論

在文中，研究了NOMA物聯(lián)網(wǎng)通信的能耗最小化問題?；靖鶕?jù)最大比分配原則將具有最大分配因子的機(jī)器設(shè)備分配給用戶設(shè)備，即根據(jù)設(shè)備間距離和電池水平進(jìn)行分配；然后在上行鏈路中采用了子信道與用戶雙邊匹配算法使得能效最優(yōu)。根據(jù)現(xiàn)有的功率控制和時間調(diào)度方案，同樣通過求解最優(yōu)KKT條件來計算最優(yōu)值。仿真結(jié)果表明，提出的方案比現(xiàn)有的NOMA和TDMA方案消耗的能量更低。