龔杰 陳翔

摘要：提出了一種部分自供電的非正交多址接入（NOMA）技術框架，將NOMA和無線能量傳輸（WPT）技術有機結合起來，并利用頻譜復用和近場傳輸，實現(xiàn)高效的WPT和多用戶接入。這一框架可以應用在上行反饋、中繼傳輸、信息解碼等多種數(shù)據(jù)傳輸場景。討論了部分自供電NOMA技術的科學問題，并對信息解碼能量受限的兩用戶系統(tǒng)可達速率進行了初步分析。

關鍵詞：NOMA；WPT；連續(xù)干擾消除

隨著科技的發(fā)展，信息技術已滲透到社會的各個方面，并逐漸改變著人們的生產(chǎn)和生活方式。物聯(lián)網(wǎng)（IoT）利用多種通信技術使機器互聯(lián)，實現(xiàn)自動化、智能化的信息獲取與網(wǎng)絡監(jiān)查控制，使人們從重復的工作中解放出來。然而，為了獲得足夠的系統(tǒng)狀態(tài)信息，實現(xiàn)智能化精細控制，需要部署大量的物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點。這將帶來2個重要問題：（1）由于電網(wǎng)布線困難，物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點一般采用電池供電，因此能量受限；（2）無線頻譜資源緊缺，難以支持海量無線節(jié)點同時接入。近年來受到關注的無線能量傳輸（WPT）技術，是解決物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點能量受限問題的有效方法；而非正交多址接入（NOMA）技術通過在同一資源塊上同時承載多個用戶，能有效緩解頻譜資源緊缺的問題。因此，這2種技術的有機結合，是實現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)可持續(xù)運行以及海量設備同時接入的重要手段。

文中我們基于現(xiàn)實，提出一種部分自供電的NOMA技術框架，使得近距離用戶在保證信息傳輸?shù)耐瑫r，可以高效地獲取無線能量，并用于更多的信息處理與傳輸任務。這一框架可以應用于信息解碼、中繼傳輸、上行反饋等多種場景，具有廣泛的應用前景。

1 部分自供電的NOMA技術的概念與現(xiàn)狀

WPT技術是指在接收無線信號的同時，通過采集無線射頻中的能量以獲得電力[1]。通常有2種接收電路設計（如圖1所示）：功率分割[2]和時間分割[3]。所謂功率分割，是將接收到的無線信號分成2路，一路用來進行信息的解調(diào)，一路用來采集電量。而時間分割則是通過時分的方式，部分時間接收信息，部分時間采集能量。WPT具有2個特點：一是能量源是可控的，可以通過調(diào)節(jié)發(fā)射功率，控制所能采集的能量；另一個特點是相對于信息接收，能量采集不區(qū)別有用信號和干擾信號，因此在強干擾環(huán)境下往往能采集更多的能量[4-5]。然而其缺限也很明顯，由于無線信號的發(fā)散特性以及信道的衰落特性，接收端能采集到的無線能量往往很少，WPT效率很低，尤其是當傳輸距離較遠時，甚至無法獲得足夠的能量。以1 W的發(fā)射功率為例，路徑損耗模型采用PL dB = 30.8 + 24.2 log10（d），可以計算得到：當d = 1 m時，接收信號強度就只有0.83 mW，加上能量采集中的電路消耗，能量傳輸效率非常低。

NOMA技術的基本原理如圖2所示，在同一頻帶中同時發(fā)送2個用戶的信息：一個近端用戶，一個遠端用戶。利用信號功率的不同，近端用戶采用連續(xù)干擾消除（SIC）技術先解出強干擾信號，從接收信號中減去干擾信號之后再解出自身信息，從而實現(xiàn)非正交的頻譜復用。NOMA技術首先由Saito等人提出[6]，并進行了深入的系統(tǒng)級仿真[7]，驗證了這一技術在網(wǎng)絡容量和小區(qū)邊緣用戶吞吐量方面，相較于傳統(tǒng)的正交多址接入有相當明顯的性能提升。由此，NOMA技術受到了人們的廣泛關注。文獻[8]在上行非正交多址中提出了一種新的子載波和功率聯(lián)合分配方案，以最大化用戶的和速率；文獻[9]從用戶公平性角度重新設計了功率分配算法；文獻[10]分析了用戶配對方案對系統(tǒng)性能的影響。在NOMA技術中，由于近端用戶解出了遠端用戶的信號，還可以作為中繼節(jié)點，協(xié)助遠端用戶的信號接收[11]。

2 部分自供電的NOMA 接入技術的框架

通過前面的討論我們知道：WPT技術在實際應用中受到距離的嚴格限制；而NOMA技術則給WPT提供了天然的應用場景，當近端用戶離發(fā)射端很近時，可以在接收信息的同時采集能量。而且，由于在同一頻段疊加了多用戶信息和能量，而能量采集不區(qū)分有用信號和干擾，近端用戶可以采集足夠的無線能量?；诖?，我們提出部分自供電的NOMA技術框架，如圖3所示。這一框架包括3個基本模塊：

（1）發(fā)射端。在同一頻段上用不同的功率疊加多個用戶的信息，同時發(fā)送給多個用戶。這一模塊與傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)相同。

（2）近端用戶。自供電用戶，利用近距離接收信號功率大，分割一部分接收能量進行無線能量采集，采集到的能量可用于多種用途，另一部分通過連續(xù)干擾消除進行信息解碼。根據(jù)信息解碼和能量采集的需求，通過調(diào)節(jié)2部分的功率比例，以實現(xiàn)不同的功能。

（3）遠端用戶。普通用戶，由電池或其他方式供電，與傳統(tǒng)的NOMA系統(tǒng)相同，從無線接收信號中解碼得到有用信息。

從上述框架中可以看到：相比于傳統(tǒng)的NOMA技術，近端用戶具有了無線能量采集功能，使得整個系統(tǒng)可以采取部分自供電（近端用戶）的方式，為系統(tǒng)的設計提供了便利，也可以應用到更多、更廣的領域。根據(jù)無線能量的用途，部分自供電的NOMA技術有以下可能的應用場景：

（1）上行反饋。近端用戶利用采集到的無線能量進行短距信息上傳，典型的應用場景為射頻識別（RFID）。我們在非正交多址的框架下，可以進行有效的頻譜復用，并支持多用戶下行傳輸和上行信息反饋。

（2）信息解碼。在實際中，數(shù)據(jù)的解碼也需要消耗能量[12]，當解碼的過程較復雜時（如連續(xù)干擾消除），解碼能耗會很大。實現(xiàn)近端用戶的自供電，首先需要用采集的無線能量滿足解碼的需求。

（3）中繼傳輸。近端用戶一方面采集了無線能量，另一方面在連續(xù)干擾消除過程中對遠端用戶的數(shù)據(jù)進行了解碼。因此，可利用采集的能量發(fā)送這部分數(shù)據(jù)，通過中繼的方式提高遠端用戶的信噪比?；赪PT的協(xié)作中繼已有些初步研究工作[13-14]，在直射鏈路有遮擋的情況下作用十分明顯[15]。

3 部分自供電的NOMA技術的問題及研究方向

部分自供電的NOMA有效地結合了WPT和NOMA2個技術，具有實際的應用前景。然而，這一框架還存在著很多待解決的問題，由這些問題引出了未來的研究方向。

（1）能量采集與信息接收的折中。由于在接收到無線電波后且解碼之前，有用信號和干擾信號無法區(qū)分開，因此，無線能量采集勢必造成信息接收的性能損失，即接收信號強度減弱。如何取得2部分的最優(yōu)折中，以滿足實際應用的需求，是首先需要解決的一個問題，也是WPT領域的基本問題之一。在NOMA場景下，近距傳輸?shù)母吣芰拷邮招盘柺沟媚芰糠峙溆懈蟮淖杂啥?，但同時信息接收的復雜度也會增高。

（2）多天線設計與多用戶支持。無論是在WPT中，還是在NOMA里，利用多天線波束賦形進行無線電波定向傳輸，都是頗具吸引力的一種設計思路。這種設計可大幅度提高傳輸效率，但也增加了波束賦形設計的復雜度。在多用戶場景下，多波束設計和用戶配對問題有待進一步考慮。從能量的角度，每個用戶希望收到盡可能多的無線電波；而從信息的角度，用戶希望干擾越小越好。因此，多用戶波束設計中需要考慮兩者的折中。

（3）非理想因素的影響?？紤]到信道信息訓練和反饋，無線能量還需要滿足這部分的能量消耗。在多天線場景下的信道信息訓練和反饋開銷很大，通常無法忽略。近端用戶由于距離太近，其信道特性會有所不同，如何進行建模和訓練，也是一個很有意義的問題。

4 部分自供電的NOMA技術中兩用戶系統(tǒng)可達

速率初探

我們研究如圖3所示的兩用戶NOMA系統(tǒng)的可達速率。其中，近端用戶完全由采集的無線能量給解碼模塊供電，因此需要保證足夠的電量采集?？紤]一種混合的能量采集協(xié)議：每個時隙分成2個子時隙，第1個子時隙僅發(fā)送遠端用戶（用戶2）的信息，此時近端用戶（用戶1）完全采集能量；第2個子時隙發(fā)送兩用戶疊加信息，用戶1根據(jù)能量需求進行功率分割。每個子時隙中均需要滿足發(fā)射功率約束和傳輸速率約束，具體來說，在第1個子時隙中，由于只發(fā)送用戶2的信息，用戶1的功率為零，因此功率約束為：

最后，由于用戶1是一個自供電系統(tǒng)，采集的能量應不低于消耗的能量。設第1個子時隙的時間占比為t，信息解碼的功耗為PSIC，則有：

其中[ε]為無線能量轉(zhuǎn)化效率。為了刻畫兩用戶系統(tǒng)的可達速率區(qū)域，我們求解以下問題：在上述約束下，給定其中一個用戶的速率，最大化另一個用戶的速率。這個問題其實可以建模為：

即給定用戶1的速率r，最大化用戶2的速率。

可以證明：上述問題是一個凸優(yōu)化問題，可以用凸優(yōu)化理論有效地求解。通過遍歷所有可能的r值，可以刻畫出兩用戶的可達速率區(qū)域。圖4給出了一組參數(shù)下的結果。圖中4條曲線分別代表傳統(tǒng)的功率分割技術、時間分割技術、我們提出的混合能量采集協(xié)議，以及時分多址（TDMA）。比較這幾條曲線，我們所提的混合協(xié)議能獲得最大的可達速率域。實際上，混合協(xié)議包含了傳統(tǒng)的功率分割和時間分割，因此這一結果是自然的。在時間分割技術的曲線上我們發(fā)現(xiàn)：速率2在約220 Mbit/s時突然降為0。其原因在于：為了保證有足夠的能量，第1個子時隙的長度有一個非零下界，低于這個下界系統(tǒng)將無法工作。

在上述問題中，當[ρ=0]或者t = 0時，退化到傳統(tǒng)的時間分割和功率分割問題。這兩種特殊情況可以得到閉式的可達速率域。為了得到更大的可達速率域，可以根據(jù)傳輸速率動態(tài)調(diào)節(jié)解碼能耗。這些問題的具體分析參見文獻[16]。

5 結束語

本文所提出的部分自供電的NOMA框架，結合了NOMA技術和WPT技術的特點和優(yōu)勢，可廣泛應用于能量受限的多用戶系統(tǒng)。這一框架的實現(xiàn)仍有很多技術難點有待攻克。在解碼能量受限的兩用戶系統(tǒng)分析中，我們所提出的混合能量采集協(xié)議可以得到比傳統(tǒng)時間分割或功率分割更大的可達速率域。

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