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协作非正交多址系统中的用户配对技术研究

韩钰  
【摘要】:移动互联网(Mobile Internet,MI)与物联网(Internet of Things,IoT)的兴起,带来了移动数据流量、以及终端连接数量的双重增长。新型的多媒体业务,不仅本身需要大量数据流量支持,而且还吸引了越来越多的用户涌入网络,致使网络整体流量需求激增。然而,有限的通信资源限制了通信技术更大程度地发展扩容。传统的多用户接入技术采用正交的资源占用方式,从信息论的角度无法达到资源的最佳利用,因而难以支撑更大规模的用户接入。在这一背景下,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术愈发受到业界的关注,被看做是下一代移动通信系统中极具潜力的多址候选方案。值得注意的是,在NOMA系统中,由于采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)方式译码接收信息,为获取自身所需信号,后译码(信道增益更大)的用户会拥有先译码(信道增益小)的用户信息。而这一译码特点,为NOMA与协作通信的结合提供了天然的契机。虽然协作NOMA可以明显改善系统性能,但另一方面,协作用户使用SIC译码时,其复杂度会随着参与协作用户数目的增大而提高。为了更好地平衡系统性能与复杂度,业界提出了对协作NOMA进行用户配对,采用非正交与正交折中的传输方式实现更好的多用户协作。因此,研究协作NOMA系统中的用户配对技术具有重要意义。正是基于此,本论文以协作NOMA为核心,重点研究了在不同通信场景下的多用户配对策略。论文首先对NOMA、协作NOMA的基本原理进行了简要概述。进而,针对混合可见光通信(Visible Light Communication,VLC)-射频(Radio Frequency,RF)协作NOMA系统,设计了基于二分图匹配的用户配对技术,可达到最大化中断性能目的。而在基于无线信息和能量同传(Simultaneous Wireless Information Power Transfer,SWIPT)的协作NOMA中,本文设计了基于斯坦伯格博弈模型的用户配对策略,满足了用户拥有最大自身效用的需求。本论文主要贡献和创新点总结如下:1)研究了基于混合VLC-RF协作NOMA系统的用户配对技术,设计了基于二分图匹配的用户配对策略,可最小化系统中断概率。首先,针对可见光无法穿透障碍物导致VLC通信范围受限的问题,本论文提出了一种混合VLC-RF协作NOMA系统。该系统不仅能够扩大通信范围还可以满足多个用户同时通信的需求。然后,在所提出的通信系统中,研究了系统中断概率。并且以最小化系统中断概率为优化目标,提出了基于二分图匹配的用户配对技术。利用图论和对数运算法则,原始用户配对问题被转成二分图中最大权值和匹配问题。利用Kuhn-Munkres(KM)算法,可以获得使系统中断概率最小的用户配对。最后,通过仿真验证所提出技术性能,结果表明,所提出的技术相较于其他技术可以有效提升系统中断性能。2)研究了基于SWIPT的协作NOMA系统的用户配对技术,提出了基于博弈论的用户配对技术,可最大化个体的效用。首先,对于基于SWIPT的协作NOMA系统,分析了每个用户的可达速率。除此之外,近用户利用SWIPT收集到的能量为其配对的远用户转发信息,提高远用户的可靠性。但该系统对近用户的可达速率造成影响,降低近用户参与协作通信的可能性。为激励近用户作为中继转发信息,本文引入了博弈论,分析了远用户和近用户的效用函数,构建了最大化效用函数的优化问题。然后,本文为远用户和近用户的竞争关系建立了多主用户多从用户斯坦伯格博弈模型。以效用函数基础,利用盖尔-沙普利(Gale-Shapley,G-S)算法,提出了基于斯坦伯格博弈模型的用户配对技术,通过仿真验证所提出技术性能,结果表明,所提出的技术可有效提升每个用户的效用函数。


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