基于NOMA物聯(lián)網(wǎng)通信的能效優(yōu)化

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。

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)連接起來進行信息交換和通信，以實現(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，機器類型通信設(shè)備(Machine Type Communication Device，MTCD)具有自己獨特的特征：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[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[7]中提出了一種多目標傳感器選擇方案。文獻[8]中提出了一種機器類通信功率控制和時間調(diào)度方案。文獻[9]中提出了一種低復(fù)雜度NOMA功率分配算法。文獻[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[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制來優(yōu)化基站的EE。文獻[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：