基于非正交多址技术（NOMA）的无线资源分配技术研究

论文总字数：41164字

摘 要

在即将到来的第五代移动通信系统（5G）中，非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access)技术在工业和学术领域都备受关注，其能够大幅提升频谱利用率以及增加用户的连接数和吞吐量的特点使得NOMA技术成为5G系统中最重要的技术之一。

本文主要研究下行链路的NOMA技术的用户配对问题，包括两种用户配对算法：

(1)研究了基于爬山（Hill Climbing, HC）算法的NOMA用户配对算法。爬山算法是一种邻域搜索算法，该算法每次从当前解的邻域解集合中选择一个对整体更优的解作为下一次迭代的当前解，直到找出一个其邻域解集合中无更优解的局部最优解作为最终结果。仿真结果表明爬山算法在计算复杂度上较穷举搜索减少了许多，而且能够在NOMA系统的性能提升方面显著优于随机用户配对。然而由于算法不是全面搜索，因此会陷入局部最优解的困境。在该算法基础上的重启爬山（Restart Hill Climbing, R-HC）算法可以在一定程度上改善此问题。

(2)研究了基于模拟退火（Simulated Annealing, SA）算法的NOMA用户配对算法。与爬山算法相比，模拟退火算法在搜索邻域最优解时引入了随机因素，会以一定概率接受比当前解要差的结果，扩大了算法的搜索空间，从而可能跳出局部最优解的限制，达到全局最优的水平。仿真结果表明模拟退火算法能在可接受的计算成本下可以取得比爬山算法更好的结果，对系统性能的提升更接近穷举搜索的效果，更容易找出全局最优解。另外，模拟退火算法可以根据实际的通信场景改变参数从而调整性能与时间成本的优先级，在NOMA系统中有良好的表现。

关键词：非正交多址接入，NOMA，5G，用户配对，爬山算法，模拟退火算法

Abstract

In the upcoming fifth-generation mobile communication system (5G), non-orthogonal multiple access (NOMA) technology has attracted much attention in both industrial and academic fields, which can greatly improve spectrum utilization. NOMA is one of the most important technologies in 5G systems due to its gain in supported connection number and improved spectrum efficiency.

User pairing in the downlink NOMA is investigated in this thesis, including two user pairing algorithms:

(1) Hill Climbing (HC) based NOMA user-pairing algorithm is investigated. The HC algorithm is a neighborhood search algorithm. It selects a better overall solution from the current solution's neighbor set each time as the current solution of the next iteration until no neighbor is better. The result is a local optimal solution. Simulations show that the HC algorithm is much less computationally complex than the exhaustive search, and it can be significantly better than the random pairing in the performance improvement of the NOMA system. However, since the algorithm is not a comprehensive search, it may fall into the dilemma of a local optimal solution. The Restart Hill Climbing (R-HC) algorithm based on HC can improve such situation.

(2) Simulated Annealing (SA) based NOMA user-pairing algorithm is investigated. Compared with the HC algorithm, the SA algorithm introduces a random factor while searching for the optimal solution in the neighbors, and accepts a solution that is worse than the current one with a certain probability, which enlarges the search space of the algorithm, and thus may jump out of the local optimal solution to achieve a global optimization. Simulations show that the SA algorithm can achieve better results than the HC algorithm under acceptable computation cost. The improvement of system performance is closer to the exhaustive search, and it is easier to find the global optimization. In addition, the SA algorithm can change the parameters according to the actual communication scenario to adjust the priority of performance and time cost. It has a good performance in the NOMA system.

KEY WORDS: Non-orthogonal Multiple Access, NOMA, 5G, User Pairing, Hill Climbing, Simulated Annealing

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第一章 引言 1

1.1 本课题研究背景以及研究意义 1

1.2 研究现状 2

1.3 本文研究内容及结构安排 4

第二章 NOMA技术 5

2.1 NOMA技术的概念 5

2.2 叠加编码技术与串行干扰消除技术 8

2.3 NOMA系统与OMA系统的性能初步对比 10

2.4 部分现有的功率分配策略及用户配对方法 11

2.4.1 功率分配策略 11

2.4.2 用户匹配 11

2.5 本文研究的NOMA系统模型 13

2.5.1 NOMA系统 13

2.5.2 串行干扰消除和功率分配 14

2.6 本章小结 15

第三章 基于爬山算法的用户配对算法 17

3.1 爬山算法的基本概念 17

3.2 邻域搜索算法 18

3.3 爬山算法的描述 19

3.4 爬山算法的仿真 21

3.5 本章小结 25

第四章 基于模拟退火算法的用户配对算法 26

4.1 模拟退火算法的原理 26

4.2 模拟退火算法的描述 28

4.3 模拟退火算法的仿真 30

4.4 本章小结 35

第五章 总结与展望 36

5.1 本文总结 36

5.2 未来研究的展望 36

参考文献 38

致 谢 41

1. 引言
   1. 本课题研究背景以及研究意义

第四代移动通信系统已经广泛地应用于世界各国，并且显著的提升了人们的生活质量，解决了人们相当层面的移动通信业务需求。然而，4G系统在可预期的未来的不能够满足用户需求。面对数百亿的无线智能移动设备和成千上万倍的数据负载量^[1][2]，以及更多新型产业的诞生（自动驾驶、物联网、大流量直播等），人们的无线通信服务需求呈指数式增长，社会对移动通信相关业务需求提出了多样化和差异化的挑战^[3]。

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