基于SWIPT的协作NOMA通信系统性能分析与能效优化

【摘要】：近年来,随着无线通信技术的快速发展,爆发式增长的数据流量及业务对频谱效率的需求急剧增加,正因为如此,非正交多址(NOMA)近来引起了人们的广泛关注,因为它可以在第五代(5G)移动通信网络中提供高频谱效率和实现大规模连接。同时随着诸如传感器,中继等低成本无线设备的迅速普及,如何延长这些能量受限设备的使用寿命同样已经成为需要解决的关键问题,而由于同步无线信息和能量传输技术(SWIPT)具有从源的射频信号中可靠地获取能量的特性,因此在协作网络中考虑NOMA和SWIPT的组合既能改善频谱效率,又能解决能量受限设备的寿命问题。本文针对基于SWIPT协作NOMA通信系统的性能分析与能效优化进行了以下分析和研究:首先,研究了基于SWIPT协作NOMA的单中继多用户系统的性能优化问题。分析了在SWIPT-AF-NOMA、SWIPT-DF-NOMA、SWIPT-AF-TDMA三种通信系统下用户解码自身所需信号的SINR并建立以通用吞吐量为目标函数的优化问题。随后通过仿真对比了在上述三种通信系统下通用吞吐量随功率分裂系数、基站输出信噪比以及能量转换系数的变化关系。仿真结果表明,SWIPT-AF-NOMA通信系统在性能上是最突出的。其次,讨论了基于SWIPT协作NOMA的多中继多用户系统的性能优化问题。基于信道质量或者用户信噪比提出了三种中继选择方案,将采用不同中继选择方案的多中继通信系统与单中继通信系统进行了对比分析。同时仿真了在上述通信系统中通用吞吐量随功率分裂系数、基站输出信噪比、能量转换系数以及中继数目的变化关系。仿真结果表明,多中继通信系统在性能上比单中继通信系统更突出,并且采用基于基站与中继间最大信道质量的中继选择方案的通信系统性能明显要优化采用其他两种中继选择方案的,而且随着中继数目的增加,通信系统性能会提升。最后,在多中继通信系统的基础上,分析了基于SWIPT-CR-NOMA网络的多用户系统。在该系统中,用户被分为主用户和次级用户,采用了基于基站与中继间最大信道质量的中继选择方案,然后在保证主用户通信质量的条件下建立以通用吞吐量为目标函数的优化问题,同时仿真分析了在用户数量不同的情况下用户通用吞吐量随功率分裂系数、基站输出信噪比以及能量转换系数的变化关系。