NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法與功率控制策略的協(xié)同優(yōu)化研究

NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法與功率控制策略的協(xié)同優(yōu)化研究一、引言1.1NOMA系統(tǒng)概述隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人們對(duì)通信系統(tǒng)的頻譜效率和系統(tǒng)容量提出了更高的要求。傳統(tǒng)的正交多址接入（OrthogonalMultipleAccess，OMA）技術(shù)，如頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等，由于其用戶數(shù)量受到可用正交資源數(shù)量的限制，在頻譜資源日益緊張的今天，已難以滿足不斷增長(zhǎng)的通信需求。在這樣的背景下，非正交多址接入（Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為了當(dāng)前通信領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。NOMA技術(shù)的基本原理是在發(fā)送端采用功率復(fù)用或多址接入簽名碼等方式，使多個(gè)用戶信號(hào)能夠共享同一時(shí)頻資源塊，從而突破了正交資源的限制。在接收端，則采用串行干擾消除（SuccessiveInterferenceCancellation，SIC）等多址干擾消除技術(shù)對(duì)不同用戶區(qū)分解碼。具體來說，功率復(fù)用技術(shù)是NOMA技術(shù)中較為常見的一種方式，其核心是在時(shí)域和頻域外增加功率維度，利用不同用戶之間的信道增益差異進(jìn)行線性疊加傳輸。通過這種方式，系統(tǒng)可以放松時(shí)頻物理資源塊的正交性限制，進(jìn)而提升系統(tǒng)容量和頻譜效率。例如，在一個(gè)時(shí)頻資源塊上，NOMA技術(shù)可以同時(shí)為多個(gè)用戶分配不同的功率，使得這些用戶的信號(hào)能夠在同一資源塊上傳輸，而不像OMA技術(shù)那樣每個(gè)資源塊只能被一個(gè)用戶獨(dú)占。多址接入簽名碼技術(shù)則是在功率域的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步引入碼域的擴(kuò)頻、加擾、交織等操作，甚至包含空域編碼的多址信道標(biāo)簽，這有助于進(jìn)一步減少非正交多址帶來的多址干擾，提高接收機(jī)對(duì)多用戶信號(hào)的檢測(cè)性能。NOMA技術(shù)的關(guān)鍵技術(shù)除了上述的功率復(fù)用和多址接入簽名碼技術(shù)外，串行干擾消除技術(shù)也是其核心技術(shù)之一。串行干擾消除技術(shù)的核心是對(duì)不同功率的多用戶信號(hào)進(jìn)行逐次干擾消除。接收信號(hào)中功率最大的信號(hào)最先被接收機(jī)檢測(cè)出來并被消除，然后根據(jù)功率大小依次對(duì)各用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，最后完成對(duì)所有疊加信號(hào)的接收和解調(diào)。以一個(gè)包含三個(gè)用戶的NOMA系統(tǒng)為例，接收端首先檢測(cè)出功率最大的用戶信號(hào)，將其從接收到的混合信號(hào)中減去，然后再檢測(cè)剩余信號(hào)中功率最大的用戶信號(hào)，重復(fù)這個(gè)過程，直到檢測(cè)出所有用戶的信號(hào)。這種技術(shù)能夠有效地消除多用戶信號(hào)之間的干擾，提高系統(tǒng)的性能。在應(yīng)用領(lǐng)域方面，NOMA技術(shù)具有廣泛的應(yīng)用前景。在5G及未來的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，NOMA技術(shù)被視為提升頻譜效率和系統(tǒng)容量的關(guān)鍵技術(shù)之一。它可以支持更多的用戶同時(shí)接入網(wǎng)絡(luò)，滿足日益增長(zhǎng)的設(shè)備連接需求，為用戶提供更高速、更穩(wěn)定的通信服務(wù)。在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）場(chǎng)景中，NOMA技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大規(guī)模設(shè)備的連接，因?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)中存在大量的低功耗、低成本設(shè)備，需要一種高效的多址接入技術(shù)來實(shí)現(xiàn)它們與網(wǎng)絡(luò)的通信。NOMA技術(shù)可以在有限的頻譜資源上支持更多的設(shè)備連接，提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的整體性能。在車聯(lián)網(wǎng)中，NOMA技術(shù)也具有重要的應(yīng)用價(jià)值。車聯(lián)網(wǎng)需要實(shí)現(xiàn)車輛之間以及車輛與基礎(chǔ)設(shè)施之間的高速、可靠通信，以支持自動(dòng)駕駛、智能交通管理等應(yīng)用。NOMA技術(shù)可以提高車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的頻譜效率和系統(tǒng)容量，滿足車輛通信對(duì)高速率和低延遲的要求，為車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展提供有力支持。與傳統(tǒng)的OMA技術(shù)相比，NOMA技術(shù)在提升頻譜效率和系統(tǒng)容量方面具有顯著的優(yōu)勢(shì)。NOMA技術(shù)可以區(qū)分同一時(shí)間-頻率域上的不同用戶，使得多個(gè)用戶可以在相同時(shí)間域和頻率域上進(jìn)一步復(fù)用資源，從而提高了頻譜效率。其系統(tǒng)過載率相對(duì)于OMA技術(shù)更高，更加接近多用戶系統(tǒng)的理論容量界，在保證一定通信質(zhì)量的前提下，能夠進(jìn)一步增加系統(tǒng)總吞吐量。由于資源的非正交分配，不同用戶的信號(hào)可以在相同的時(shí)頻資源上疊加，實(shí)際上相對(duì)于OMA系統(tǒng)進(jìn)一步拓展了可接入用戶的數(shù)量，提升了系統(tǒng)的用戶容量。NOMA技術(shù)還能改善小區(qū)邊緣用戶性能，通過為小區(qū)邊緣用戶和信道條件較差的用戶配置更高的功率，仿真顯示采用NOMA技術(shù)方案時(shí)，小區(qū)邊緣用戶的吞吐量得到有效提升。在時(shí)延和信令開銷方面，一些NOMA技術(shù)方案可以設(shè)計(jì)成免調(diào)度的接入方案，終端可以使用開環(huán)功控選擇合適的功率一次性上傳數(shù)據(jù)，無需與基站進(jìn)行多次交互，減少了接入時(shí)延，降低了信令交互的開銷。NOMA技術(shù)還具有更強(qiáng)的系統(tǒng)魯棒性，基于功率域的NOMA系統(tǒng)對(duì)接收端反饋的信道狀態(tài)信息CSI的準(zhǔn)確性的敏感度降低，在傳輸信道狀態(tài)不發(fā)生大幅、快速改變的情況下，不準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息不會(huì)對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時(shí)，由于接收端采用了SIC技術(shù)，系統(tǒng)具備一定的干擾消除能力，減少了干擾對(duì)通信的影響。1.2研究背景與意義在NOMA系統(tǒng)中，用戶分組算法與功率控制策略對(duì)于系統(tǒng)性能的提升起著關(guān)鍵作用，二者緊密關(guān)聯(lián)且相互影響，是充分發(fā)揮NOMA技術(shù)優(yōu)勢(shì)的核心要素。用戶分組算法的合理性直接決定了系統(tǒng)的整體性能。合理的用戶分組能夠有效減少用戶間干擾，提高頻譜效率。在實(shí)際通信場(chǎng)景中，不同用戶的信道條件、業(yè)務(wù)需求和位置分布等存在差異，通過科學(xué)的用戶分組算法，可以將信道條件相似或具有共同特性的用戶劃分到同一組。在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，將距離基站較近、信道質(zhì)量較好的用戶分為一組，將距離基站較遠(yuǎn)、信道質(zhì)量較差的用戶分為另一組，這樣可以避免不同信道質(zhì)量用戶之間的干擾，使系統(tǒng)能夠更有針對(duì)性地為不同組用戶分配資源，從而提高頻譜利用效率。在多小區(qū)環(huán)境中，合理的用戶分組還能減少小區(qū)間干擾，提升系統(tǒng)的整體性能。如果相鄰小區(qū)的用戶分組不合理，可能會(huì)導(dǎo)致同頻干擾增加，影響用戶的通信質(zhì)量。通過合理規(guī)劃用戶分組，例如采用交錯(cuò)分組或基于地理位置的分組方式，可以有效降低小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。用戶分組還能提高系統(tǒng)的公平性。在實(shí)際應(yīng)用中，不同用戶對(duì)通信服務(wù)的需求和期望各不相同，合理的用戶分組可以確保每個(gè)用戶都能獲得公平的通信資源分配，避免某些用戶因資源分配不足而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降。通過公平的用戶分組，即使是信道條件較差的用戶，也能在一定程度上保證其基本的通信需求，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的用戶滿意度。功率控制策略在NOMA系統(tǒng)中同樣至關(guān)重要，它直接影響著系統(tǒng)的容量、能效以及用戶的通信質(zhì)量。功率控制可以通過調(diào)整用戶的發(fā)射功率，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。在NOMA系統(tǒng)中，根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息，為信道條件好的用戶分配較低的功率，為信道條件差的用戶分配較高的功率，這樣可以充分利用信道資源，提高系統(tǒng)的總吞吐量。在一個(gè)包含多個(gè)用戶的NOMA系統(tǒng)中，通過精確的功率控制，使每個(gè)用戶的發(fā)射功率與信道條件相匹配，能夠在有限的頻譜資源下，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的顯著提升。功率控制還能降低系統(tǒng)的干擾。在多用戶通信環(huán)境中，用戶之間的干擾是影響系統(tǒng)性能的重要因素。通過合理的功率控制，可以減少用戶間的干擾，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在相鄰小區(qū)的用戶之間，通過功率控制調(diào)整發(fā)射功率，可以避免因功率過大而導(dǎo)致的同頻干擾，保證每個(gè)用戶都能接收到清晰的信號(hào)。功率控制還可以提高系統(tǒng)的能效。在能源日益緊張的今天，通信系統(tǒng)的能效問題越來越受到關(guān)注。通過優(yōu)化功率控制策略，在保證用戶通信質(zhì)量的前提下，降低系統(tǒng)的總發(fā)射功率，能夠有效提高系統(tǒng)的能源利用效率，減少能源消耗，實(shí)現(xiàn)綠色通信。在當(dāng)前的研究中，已經(jīng)有許多學(xué)者對(duì)NOMA系統(tǒng)中的用戶分組算法與功率控制策略進(jìn)行了研究。在用戶分組算法方面，文獻(xiàn)[X]提出了一種基于聚類的用戶分組算法，該算法根據(jù)用戶的信道增益和地理位置進(jìn)行聚類，將信道條件相似的用戶分為一組，有效減少了用戶間干擾，提高了系統(tǒng)的頻譜效率。文獻(xiàn)[X]則提出了一種基于圖論的用戶分組算法，通過構(gòu)建用戶關(guān)系圖，利用圖論中的算法進(jìn)行用戶分組，實(shí)現(xiàn)了更高效的資源分配。在功率控制策略方面，文獻(xiàn)[X]研究了基于注水算法的功率控制策略，根據(jù)用戶的信道狀態(tài)和系統(tǒng)總功率，動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶的發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化。文獻(xiàn)[X]提出了一種基于博弈論的功率控制策略，將用戶的功率分配問題建模為一個(gè)博弈過程，通過用戶之間的博弈，實(shí)現(xiàn)了功率的合理分配。然而，現(xiàn)有的研究仍然存在一些不足之處。部分用戶分組算法的計(jì)算復(fù)雜度較高，難以在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)時(shí)應(yīng)用。一些基于復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的用戶分組算法，雖然在理論上能夠取得較好的性能，但在實(shí)際實(shí)現(xiàn)時(shí)，由于需要進(jìn)行大量的計(jì)算和數(shù)據(jù)處理，導(dǎo)致算法的執(zhí)行時(shí)間較長(zhǎng)，無法滿足實(shí)時(shí)通信的需求。一些功率控制策略在保證系統(tǒng)容量的同時(shí)，可能會(huì)犧牲用戶的公平性。某些功率控制策略為了追求系統(tǒng)總吞吐量的最大化，可能會(huì)過度分配資源給信道條件好的用戶，而忽視了信道條件差的用戶，導(dǎo)致用戶之間的公平性失衡。此外，目前對(duì)于用戶分組算法與功率控制策略的聯(lián)合優(yōu)化研究還相對(duì)較少，而實(shí)際上二者的協(xié)同作用對(duì)于系統(tǒng)性能的提升具有重要意義。鑒于上述研究現(xiàn)狀，深入研究NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法與功率控制策略具有重要的理論和實(shí)際意義。在理論方面，進(jìn)一步探索高效的用戶分組算法和優(yōu)化的功率控制策略，有助于完善NOMA系統(tǒng)的理論體系，為通信技術(shù)的發(fā)展提供堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ)。在實(shí)際應(yīng)用中，合理的用戶分組算法與功率控制策略能夠顯著提升NOMA系統(tǒng)的性能，滿足日益增長(zhǎng)的通信需求。在5G及未來的通信系統(tǒng)中，隨著物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等新興應(yīng)用的不斷涌現(xiàn)，對(duì)通信系統(tǒng)的容量、頻譜效率和用戶體驗(yàn)提出了更高的要求。通過優(yōu)化用戶分組算法與功率控制策略，可以使NOMA系統(tǒng)更好地支持大規(guī)模設(shè)備連接，提高通信系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性，為用戶提供更優(yōu)質(zhì)的通信服務(wù)。1.3研究目的與內(nèi)容本研究旨在深入剖析NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法與功率控制策略，通過理論分析、算法設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)二者的協(xié)同優(yōu)化，以提升NOMA系統(tǒng)的整體性能，滿足未來通信系統(tǒng)對(duì)高容量、高效率和高可靠性的需求。具體研究?jī)?nèi)容涵蓋以下幾個(gè)方面：NOMA系統(tǒng)用戶分組算法研究：針對(duì)NOMA系統(tǒng)的特點(diǎn)，深入分析現(xiàn)有用戶分組算法的優(yōu)缺點(diǎn)。研究基于不同準(zhǔn)則的用戶分組算法，如基于信道增益的分組算法，通過對(duì)用戶信道增益的測(cè)量和比較，將信道增益相近的用戶分為一組，以減少組內(nèi)干擾；基于業(yè)務(wù)需求的分組算法，根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等，對(duì)用戶進(jìn)行合理分組，確保不同業(yè)務(wù)需求的用戶都能得到滿足；基于地理位置的分組算法，考慮用戶的地理位置分布，將距離相近的用戶分為一組，便于進(jìn)行集中管理和資源分配。提出一種新的基于改進(jìn)K-means聚類的用戶分組算法。該算法在傳統(tǒng)K-means聚類算法的基礎(chǔ)上，引入了用戶之間的相關(guān)性度量，通過計(jì)算用戶的信道狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)需求等因素之間的相關(guān)性，更準(zhǔn)確地確定初始聚類中心，避免傳統(tǒng)K-means算法對(duì)初始聚類中心敏感的問題，從而提高用戶分組的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。NOMA系統(tǒng)功率控制策略研究：全面分析NOMA系統(tǒng)中功率控制的原理和目標(biāo)，明確功率控制對(duì)系統(tǒng)容量、能效和用戶通信質(zhì)量的影響。研究不同的功率控制策略，如基于信道狀態(tài)的功率控制策略，根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息實(shí)時(shí)調(diào)整發(fā)射功率，信道條件好時(shí)降低功率，信道條件差時(shí)提高功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化；基于用戶公平性的功率控制策略，在保證系統(tǒng)容量的前提下，確保每個(gè)用戶都能獲得公平的功率分配，避免某些用戶因功率分配不足而導(dǎo)致通信質(zhì)量下降；基于能效的功率控制策略，以提高系統(tǒng)的能源利用效率為目標(biāo)，在滿足用戶通信需求的前提下，盡量降低系統(tǒng)的總發(fā)射功率。提出一種基于博弈論的功率控制策略。將用戶的功率分配問題建模為一個(gè)非合作博弈過程，每個(gè)用戶作為一個(gè)博弈參與者，根據(jù)自身的利益和其他用戶的功率分配情況，自主選擇發(fā)射功率。通過引入懲罰機(jī)制，對(duì)過度追求自身利益而導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降的用戶進(jìn)行懲罰，從而引導(dǎo)用戶在追求自身利益的同時(shí)，也能考慮系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)功率的合理分配和系統(tǒng)性能的優(yōu)化。用戶分組算法與功率控制策略的聯(lián)合優(yōu)化：深入研究用戶分組算法與功率控制策略之間的相互關(guān)系和協(xié)同作用機(jī)制，明確二者聯(lián)合優(yōu)化對(duì)提升NOMA系統(tǒng)性能的重要性。建立用戶分組與功率控制的聯(lián)合優(yōu)化模型，以系統(tǒng)容量、能效和用戶公平性為優(yōu)化目標(biāo)，同時(shí)考慮用戶分組和功率分配的約束條件，如功率限制、干擾限制等。采用智能優(yōu)化算法，如遺傳算法、粒子群優(yōu)化算法等，對(duì)聯(lián)合優(yōu)化模型進(jìn)行求解。這些智能優(yōu)化算法具有全局搜索能力強(qiáng)、收斂速度快等優(yōu)點(diǎn)，能夠在復(fù)雜的解空間中找到最優(yōu)或近似最優(yōu)的用戶分組和功率分配方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。仿真與性能評(píng)估：利用MATLAB等仿真工具，搭建NOMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)提出的用戶分組算法和功率控制策略進(jìn)行仿真驗(yàn)證。在仿真過程中，設(shè)置不同的仿真參數(shù)，如用戶數(shù)量、信道條件、業(yè)務(wù)類型等，模擬實(shí)際通信場(chǎng)景的多樣性。通過仿真，分析不同算法和策略下NOMA系統(tǒng)的性能指標(biāo)，包括系統(tǒng)容量、頻譜效率、用戶公平性、能效等，與現(xiàn)有算法和策略進(jìn)行對(duì)比，評(píng)估所提算法和策略的優(yōu)越性和有效性。根據(jù)仿真結(jié)果，進(jìn)一步優(yōu)化算法和策略，為NOMA系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持和技術(shù)參考。1.4研究方法與創(chuàng)新點(diǎn)本研究綜合運(yùn)用多種研究方法，深入探究NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法與功率控制策略，力求實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化提升。理論分析是本研究的重要基礎(chǔ)。通過對(duì)NOMA系統(tǒng)的基本原理、關(guān)鍵技術(shù)以及用戶分組算法和功率控制策略的相關(guān)理論進(jìn)行深入剖析，明確各因素對(duì)系統(tǒng)性能的影響機(jī)制。詳細(xì)研究NOMA系統(tǒng)中功率復(fù)用、多址接入簽名碼以及串行干擾消除等關(guān)鍵技術(shù)的原理和特性，分析其在不同場(chǎng)景下對(duì)系統(tǒng)容量、頻譜效率和用戶通信質(zhì)量的影響。對(duì)現(xiàn)有的用戶分組算法和功率控制策略進(jìn)行理論梳理，分析其優(yōu)缺點(diǎn)和適用范圍，為后續(xù)的算法設(shè)計(jì)和策略優(yōu)化提供理論依據(jù)。算法設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能提升的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)NOMA系統(tǒng)的特點(diǎn)和需求，提出基于改進(jìn)K-means聚類的用戶分組算法和基于博弈論的功率控制策略。在改進(jìn)K-means聚類算法中，通過引入用戶之間的相關(guān)性度量，改進(jìn)初始聚類中心的選擇方法，提高用戶分組的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性?；诓┺恼摰墓β士刂撇呗詣t將用戶的功率分配問題建模為非合作博弈過程，通過引入懲罰機(jī)制，引導(dǎo)用戶在追求自身利益的同時(shí)，兼顧系統(tǒng)整體性能，實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。仿真驗(yàn)證是評(píng)估算法和策略有效性的重要手段。利用MATLAB等仿真工具搭建NOMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)，對(duì)提出的用戶分組算法和功率控制策略進(jìn)行全面的仿真驗(yàn)證。在仿真過程中，設(shè)置多種不同的仿真參數(shù)，如用戶數(shù)量、信道條件、業(yè)務(wù)類型等，以模擬實(shí)際通信場(chǎng)景的多樣性和復(fù)雜性。通過對(duì)仿真結(jié)果的分析，評(píng)估所提算法和策略在不同場(chǎng)景下對(duì)NOMA系統(tǒng)性能指標(biāo)的影響，包括系統(tǒng)容量、頻譜效率、用戶公平性和能效等，并與現(xiàn)有算法和策略進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證其優(yōu)越性和有效性。本研究的創(chuàng)新點(diǎn)主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：提出新的用戶分組算法：本研究提出的基于改進(jìn)K-means聚類的用戶分組算法，創(chuàng)新性地引入了用戶之間的相關(guān)性度量，改進(jìn)了初始聚類中心的選擇方式。傳統(tǒng)的K-means聚類算法對(duì)初始聚類中心的選擇較為敏感，容易陷入局部最優(yōu)解，導(dǎo)致用戶分組結(jié)果不理想。而本算法通過綜合考慮用戶的信道狀態(tài)信息、業(yè)務(wù)需求等因素之間的相關(guān)性，能夠更準(zhǔn)確地確定初始聚類中心，從而提高用戶分組的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性。這種改進(jìn)使得分組結(jié)果更能適應(yīng)實(shí)際通信場(chǎng)景中用戶的多樣性和復(fù)雜性，有效減少用戶間干擾，提升系統(tǒng)性能。設(shè)計(jì)新的功率控制策略：基于博弈論的功率控制策略將用戶的功率分配問題建模為非合作博弈過程，并引入懲罰機(jī)制。在傳統(tǒng)的功率控制策略中，往往難以平衡用戶的個(gè)體利益與系統(tǒng)的整體性能。本策略讓每個(gè)用戶作為博弈參與者，根據(jù)自身利益和其他用戶的功率分配情況自主選擇發(fā)射功率，同時(shí)通過懲罰機(jī)制對(duì)過度追求自身利益而損害系統(tǒng)性能的用戶進(jìn)行約束。這一設(shè)計(jì)能夠引導(dǎo)用戶在追求自身利益的同時(shí)，也能充分考慮系統(tǒng)的整體性能，實(shí)現(xiàn)功率的合理分配和系統(tǒng)性能的優(yōu)化，為NOMA系統(tǒng)的功率控制提供了新的思路和方法。實(shí)現(xiàn)聯(lián)合優(yōu)化：本研究深入研究用戶分組算法與功率控制策略之間的相互關(guān)系和協(xié)同作用機(jī)制，建立聯(lián)合優(yōu)化模型，并采用智能優(yōu)化算法進(jìn)行求解。以往的研究大多將用戶分組和功率控制分開進(jìn)行，忽視了二者之間的緊密聯(lián)系。而實(shí)際上，合理的用戶分組可以為功率控制提供更好的基礎(chǔ)，有效的功率控制又能進(jìn)一步提升用戶分組的效果。本研究通過聯(lián)合優(yōu)化，綜合考慮系統(tǒng)容量、能效和用戶公平性等多個(gè)目標(biāo)，同時(shí)考慮用戶分組和功率分配的約束條件，能夠在復(fù)雜的解空間中找到最優(yōu)或近似最優(yōu)的用戶分組和功率分配方案，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的最大化。二、相關(guān)理論與技術(shù)基礎(chǔ)2.1NOMA系統(tǒng)原理與特點(diǎn)NOMA系統(tǒng)的基本原理是在發(fā)送端采用非正交傳輸方式，使多個(gè)用戶信號(hào)能夠共享同一時(shí)頻資源塊，從而突破傳統(tǒng)正交多址接入技術(shù)對(duì)用戶數(shù)量的限制，提高頻譜效率和系統(tǒng)容量。具體來說，NOMA技術(shù)利用不同用戶之間的信道增益差異，在功率域上對(duì)用戶信號(hào)進(jìn)行疊加傳輸。例如，對(duì)于信道條件較好的用戶，分配較低的功率；對(duì)于信道條件較差的用戶，分配較高的功率。這樣，在接收端通過串行干擾消除（SIC）技術(shù)，可以依次解調(diào)出不同用戶的信號(hào)。以一個(gè)簡(jiǎn)單的兩用戶NOMA系統(tǒng)為例，假設(shè)基站要向用戶A和用戶B發(fā)送信號(hào)。用戶A的信道條件較好，用戶B的信道條件較差。在發(fā)送端，基站將用戶A的信號(hào)x_A和用戶B的信號(hào)x_B進(jìn)行功率復(fù)用，得到發(fā)送信號(hào)s=\sqrt{\alpha}x_A+\sqrt{1-\alpha}x_B，其中\(zhòng)alpha為功率分配因子，且0<\alpha<1。在接收端，用戶B由于其信號(hào)功率較高，可以直接將用戶A的信號(hào)視為噪聲，解調(diào)出自己的信號(hào)x_B。然后，用戶B從接收到的信號(hào)中減去自己的信號(hào)，得到只包含用戶A信號(hào)的剩余信號(hào)。用戶A再對(duì)這個(gè)剩余信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，從而得到自己的信號(hào)x_A。NOMA系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)主要包括功率復(fù)用技術(shù)和串行干擾消除技術(shù)。功率復(fù)用技術(shù)是NOMA系統(tǒng)的核心技術(shù)之一，它通過在發(fā)送端對(duì)不同用戶的信號(hào)分配不同的功率，實(shí)現(xiàn)多個(gè)用戶信號(hào)在同一時(shí)頻資源上的疊加傳輸。這種技術(shù)能夠充分利用信道資源，提高頻譜效率。在一個(gè)包含多個(gè)用戶的NOMA系統(tǒng)中，根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息，為每個(gè)用戶分配合適的功率，使得系統(tǒng)能夠在有限的頻譜資源下支持更多的用戶。串行干擾消除技術(shù)則是NOMA系統(tǒng)在接收端實(shí)現(xiàn)多用戶信號(hào)分離的關(guān)鍵技術(shù)。該技術(shù)的基本思想是對(duì)接收信號(hào)中功率最大的用戶信號(hào)進(jìn)行先檢測(cè)和解調(diào)，然后將其從接收信號(hào)中減去，再對(duì)剩余信號(hào)中功率最大的用戶信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)和解調(diào)，依次類推，直到所有用戶信號(hào)都被解調(diào)出。這種逐次消除干擾的方式能夠有效地提高系統(tǒng)的性能，減少用戶間干擾。與傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)相比，NOMA系統(tǒng)具有顯著的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。在頻譜效率方面，NOMA系統(tǒng)允許不同用戶的信號(hào)在相同的時(shí)頻資源上傳輸，通過功率復(fù)用和干擾消除技術(shù)，提高了頻譜的利用效率。傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，如頻分多址（FDMA）、時(shí)分多址（TDMA）和碼分多址（CDMA）等，每個(gè)用戶只能占用一個(gè)特定的正交資源塊，導(dǎo)致頻譜資源的利用率較低。而NOMA系統(tǒng)打破了這種限制，使得多個(gè)用戶可以同時(shí)共享同一資源塊，從而提高了頻譜效率。在系統(tǒng)容量方面，NOMA系統(tǒng)能夠支持更多的用戶同時(shí)接入，增加了系統(tǒng)的容量。由于NOMA系統(tǒng)可以在同一時(shí)頻資源上傳輸多個(gè)用戶的信號(hào)，因此在相同的頻譜資源條件下，NOMA系統(tǒng)能夠容納更多的用戶，滿足了日益增長(zhǎng)的通信需求。在一個(gè)小區(qū)中，傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)可能只能支持有限數(shù)量的用戶，而NOMA系統(tǒng)可以通過合理的用戶分組和功率控制，支持更多的用戶接入，提高了系統(tǒng)的容量。NOMA系統(tǒng)還具有更好的用戶公平性。在傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)中，信道條件較好的用戶往往能夠獲得更多的資源，導(dǎo)致信道條件較差的用戶通信質(zhì)量受到影響。而在NOMA系統(tǒng)中，通過為信道條件較差的用戶分配較高的功率，可以保證這些用戶也能夠獲得較好的通信質(zhì)量，提高了用戶之間的公平性。在一個(gè)包含小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶的通信場(chǎng)景中，小區(qū)邊緣用戶由于信道條件較差，在傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)下可能無法獲得足夠的資源，導(dǎo)致通信質(zhì)量較差。而在NOMA系統(tǒng)中，通過為小區(qū)邊緣用戶分配較高的功率，可以有效地改善他們的通信質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)用戶之間的公平性。NOMA系統(tǒng)在實(shí)際應(yīng)用中也面臨一些挑戰(zhàn)。NOMA系統(tǒng)對(duì)接收端的復(fù)雜度要求較高，需要采用串行干擾消除等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)多用戶信號(hào)的分離，這增加了接收端的硬件成本和計(jì)算復(fù)雜度。NOMA系統(tǒng)的功率分配和用戶分組等問題也需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，以提高系統(tǒng)的性能和穩(wěn)定性。2.2用戶分組算法相關(guān)理論在NOMA系統(tǒng)中，用戶分組是指根據(jù)一定的準(zhǔn)則和算法，將眾多用戶劃分為不同的組，以便更有效地進(jìn)行資源分配和信號(hào)傳輸。用戶分組的主要作用在于減少用戶間干擾，提高系統(tǒng)的頻譜效率和整體性能。通過合理的用戶分組，可以將信道條件相似、業(yè)務(wù)需求相近或地理位置相鄰的用戶歸為一組，從而降低組內(nèi)和組間的干擾，使系統(tǒng)能夠更精準(zhǔn)地為每個(gè)組分配資源，提升頻譜利用效率。常用的用戶分組算法有多種，每種算法都有其獨(dú)特的原理和適用場(chǎng)景?；谛诺涝鲆娴姆纸M算法是一種較為常見的方法，其原理是根據(jù)用戶的信道增益大小進(jìn)行分組。通過測(cè)量和比較用戶的信道增益，將信道增益相近的用戶分為一組。在一個(gè)多用戶的NOMA系統(tǒng)中，首先獲取每個(gè)用戶的信道增益信息，然后按照信道增益的大小進(jìn)行排序，將增益相近的用戶劃分到同一組。這種算法的優(yōu)點(diǎn)是能夠充分利用信道資源，因?yàn)樾诺涝鲆嫦嘟挠脩粼谙嗤馁Y源分配下，能夠獲得較為相似的通信質(zhì)量，從而減少了因信道差異過大導(dǎo)致的干擾。這種算法在信道條件變化較為平穩(wěn)的場(chǎng)景中表現(xiàn)較好，能夠有效地提高系統(tǒng)的頻譜效率?；跇I(yè)務(wù)需求的分組算法則是根據(jù)用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等因素進(jìn)行分組。不同的業(yè)務(wù)對(duì)通信質(zhì)量有不同的要求，例如實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求較高，而文件傳輸業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)速率要求較高。該算法會(huì)將具有相同或相似業(yè)務(wù)需求的用戶分為一組，以便系統(tǒng)能夠針對(duì)不同組的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行更優(yōu)化的資源分配。對(duì)于實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)的用戶組，系統(tǒng)可以為其分配較低的時(shí)延資源，保證視頻的流暢播放；對(duì)于文件傳輸業(yè)務(wù)的用戶組，則可以分配更高的數(shù)據(jù)速率資源，加快文件的傳輸速度。這種算法能夠更好地滿足不同用戶的業(yè)務(wù)需求，提高用戶的滿意度，但在實(shí)現(xiàn)過程中需要對(duì)用戶的業(yè)務(wù)需求進(jìn)行準(zhǔn)確的識(shí)別和分類。基于地理位置的分組算法是考慮用戶的地理位置分布進(jìn)行分組。將距離相近的用戶分為一組，這樣做的好處是便于進(jìn)行集中管理和資源分配。在一個(gè)小區(qū)內(nèi)，將位于小區(qū)中心的用戶分為一組，將位于小區(qū)邊緣的用戶分為另一組。由于同一組內(nèi)的用戶距離相近，信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗和干擾情況較為相似，系統(tǒng)可以更有效地進(jìn)行功率控制和資源分配。這種算法在實(shí)際應(yīng)用中能夠降低系統(tǒng)的復(fù)雜度，提高資源分配的效率，但在多小區(qū)環(huán)境中，需要考慮小區(qū)間的干擾協(xié)調(diào)問題。影響分組效果的因素眾多，信道條件是其中一個(gè)重要因素。信道的衰落特性、噪聲水平以及多徑效應(yīng)等都會(huì)影響用戶的信道質(zhì)量，進(jìn)而影響分組效果。在衰落嚴(yán)重的信道中，用戶的信道增益變化較大，這會(huì)增加基于信道增益分組的難度，可能導(dǎo)致分組結(jié)果不理想，從而增加用戶間干擾。業(yè)務(wù)需求的多樣性也會(huì)對(duì)分組效果產(chǎn)生影響。如果用戶的業(yè)務(wù)需求差異過大，基于業(yè)務(wù)需求的分組算法可能難以找到合適的分組方案，無法充分滿足所有用戶的需求。地理位置的分布情況同樣重要，如果用戶分布不均勻，例如在某些區(qū)域用戶密集，而在其他區(qū)域用戶稀疏，基于地理位置的分組算法可能需要進(jìn)行特殊的處理，以保證分組的合理性和有效性。系統(tǒng)的干擾情況也是影響分組效果的關(guān)鍵因素。在多用戶通信環(huán)境中，用戶之間的干擾是不可避免的。如果干擾過大，會(huì)影響用戶的信號(hào)接收質(zhì)量，降低系統(tǒng)的性能。因此，在進(jìn)行用戶分組時(shí)，需要充分考慮干擾因素，盡量將干擾較小的用戶分為一組，或者通過合理的功率控制和資源分配來降低干擾。2.3功率控制策略相關(guān)理論功率控制是通信系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)之一，其核心概念是通過調(diào)整通信設(shè)備的發(fā)射功率，使信號(hào)在傳輸過程中滿足特定的性能要求，以達(dá)到最佳的通信效果。在NOMA系統(tǒng)中，功率控制的目的具有多重性，主要包括提升系統(tǒng)容量、降低干擾以及提高能源效率等。從提升系統(tǒng)容量的角度來看，功率控制能夠根據(jù)用戶的信道狀態(tài)信息，為不同用戶分配合適的發(fā)射功率。在多用戶NOMA系統(tǒng)中，信道條件較好的用戶能夠以較低的功率進(jìn)行通信，這樣可以在有限的頻譜資源下，為更多用戶分配功率資源，從而提高系統(tǒng)的整體容量。在一個(gè)包含多個(gè)用戶的小區(qū)中，距離基站較近、信道質(zhì)量好的用戶可以分配較低的功率，而距離基站較遠(yuǎn)、信道質(zhì)量差的用戶則分配較高的功率，使得系統(tǒng)能夠在同一時(shí)頻資源上支持更多用戶，增加了系統(tǒng)的容量。降低干擾也是功率控制的重要目標(biāo)。在無線通信環(huán)境中，用戶之間的干擾是影響通信質(zhì)量的關(guān)鍵因素之一。通過合理的功率控制，可以減少用戶間的干擾，提高信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在多小區(qū)環(huán)境中，相鄰小區(qū)的用戶之間可能會(huì)產(chǎn)生同頻干擾。通過功率控制，調(diào)整每個(gè)小區(qū)用戶的發(fā)射功率，使得信號(hào)在滿足自身通信需求的同時(shí)，盡量減少對(duì)其他小區(qū)用戶的干擾，從而提高整個(gè)系統(tǒng)的通信質(zhì)量。在能源日益緊張的背景下，提高能源效率也是功率控制的重要目的之一。功率控制可以在保證用戶通信質(zhì)量的前提下，降低系統(tǒng)的總發(fā)射功率，從而提高能源利用效率。在一些對(duì)功耗要求較高的場(chǎng)景，如物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備的通信中，通過精確的功率控制，使設(shè)備以最小的功率進(jìn)行有效的通信，減少能源消耗，延長(zhǎng)設(shè)備的電池壽命。常見的功率控制策略多種多樣，閉環(huán)功率控制是一種較為常見的策略。閉環(huán)功率控制是通過接收端的反饋信息來調(diào)整發(fā)射端的功率。接收端會(huì)將自身接收到的信號(hào)質(zhì)量信息，如信號(hào)強(qiáng)度、信噪比等，返回給發(fā)送端。發(fā)送端根據(jù)這些反饋信息，動(dòng)態(tài)調(diào)整自身的發(fā)射功率。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，手機(jī)作為接收端，會(huì)將接收到的基站信號(hào)質(zhì)量信息反饋給基站，基站根據(jù)這些信息調(diào)整對(duì)手機(jī)的發(fā)射功率。如果手機(jī)接收到的信號(hào)較弱，基站會(huì)提高發(fā)射功率；如果信號(hào)較強(qiáng)，基站則會(huì)降低發(fā)射功率。這種策略能夠根據(jù)信道環(huán)境的變化進(jìn)行實(shí)時(shí)的功率調(diào)整，以適應(yīng)不同的無線信道條件，從而提高系統(tǒng)的容量和覆蓋范圍。閉環(huán)功率控制也存在一些缺點(diǎn)，由于需要接收端反饋信息，增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性和信令開銷，同時(shí)反饋信息的延遲也可能導(dǎo)致功率調(diào)整不及時(shí)。開環(huán)功率控制則是根據(jù)預(yù)先設(shè)定的功率控制策略來調(diào)整發(fā)射端的功率，而不依賴于接收端的反饋信息。開環(huán)功率控制策略通?；诮y(tǒng)計(jì)模型和經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)。在一些簡(jiǎn)單的通信系統(tǒng)中，可以根據(jù)用戶與基站的距離、信號(hào)傳播的路徑損耗等因素，預(yù)先設(shè)定一個(gè)功率調(diào)整公式。當(dāng)用戶發(fā)送信號(hào)時(shí)，根據(jù)自身的位置和其他相關(guān)信息，按照預(yù)先設(shè)定的公式調(diào)整發(fā)射功率。開環(huán)功率控制的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，成本較低，不需要復(fù)雜的反饋機(jī)制。由于無法實(shí)時(shí)獲取信道狀態(tài)的變化信息，開環(huán)功率控制策略的適應(yīng)性可能會(huì)受到限制，在信道條件變化較大的情況下，可能無法保證最佳的通信效果。在多用戶通信系統(tǒng)中，功率分配策略也是功率控制的重要組成部分。主要的功率分配策略包括均勻功率分配和非均勻功率分配。均勻功率分配是將通信資源等比例地分配給每個(gè)用戶，所有用戶的功率相同。這種策略簡(jiǎn)單、公平，適用于用戶需求相對(duì)均衡的場(chǎng)景。在一些簡(jiǎn)單的無線局域網(wǎng)中，當(dāng)所有用戶的業(yè)務(wù)類型和數(shù)據(jù)傳輸需求相似時(shí)，可以采用均勻功率分配策略。在用戶需求差異較大、信道條件存在差異的情況下，均勻功率分配策略可能無法充分利用通信資源，導(dǎo)致系統(tǒng)容量下降。因?yàn)樾诺罈l件好的用戶可能不需要過多的功率就能滿足通信需求，而信道條件差的用戶則可能因?yàn)楣β什蛔愣鵁o法保證通信質(zhì)量。非均勻功率分配則是根據(jù)用戶需求和信道條件的差異，合理分配通信資源的功率，以滿足不同用戶的服務(wù)質(zhì)量需求。在NOMA系統(tǒng)中，非均勻功率分配是一種常用的策略。根據(jù)用戶的信道增益差異，為信道條件較差的用戶分配較高的功率，為信道條件較好的用戶分配較低的功率。在一個(gè)包含小區(qū)中心用戶和小區(qū)邊緣用戶的通信場(chǎng)景中，小區(qū)邊緣用戶由于信道條件較差，信號(hào)傳輸損耗較大，需要分配較高的功率才能保證通信質(zhì)量；而小區(qū)中心用戶信道條件較好，可以分配較低的功率。非均勻功率分配策略通?；谛诺罓顟B(tài)信息和用戶需求預(yù)測(cè)模型，可以最大程度地提高系統(tǒng)的容量和頻譜效率。這種策略的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，需要準(zhǔn)確的信道估計(jì)和用戶需求預(yù)測(cè)，增加了系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的難度和成本。影響功率分配的因素眾多，信道條件是其中最為關(guān)鍵的因素之一。信道的衰落特性、噪聲水平以及多徑效應(yīng)等都會(huì)對(duì)功率分配產(chǎn)生重要影響。在衰落嚴(yán)重的信道中，信號(hào)強(qiáng)度會(huì)隨時(shí)間和空間快速變化，這就要求發(fā)射端根據(jù)信道的實(shí)時(shí)衰落情況動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，以保證信號(hào)的可靠傳輸。如果信道噪聲較大，為了保證信號(hào)的信噪比，需要增加發(fā)射功率。多徑效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的延遲和衰落，也需要通過功率控制來補(bǔ)償信號(hào)的損耗。用戶的業(yè)務(wù)需求也會(huì)影響功率分配。不同的業(yè)務(wù)對(duì)通信質(zhì)量有不同的要求，實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，如語(yǔ)音通話和視頻會(huì)議，對(duì)時(shí)延要求較高，需要分配足夠的功率以保證信號(hào)的及時(shí)傳輸，避免出現(xiàn)卡頓和延遲。而對(duì)于非實(shí)時(shí)性業(yè)務(wù)，如文件傳輸，對(duì)時(shí)延的要求相對(duì)較低，可以在保證一定傳輸速率的前提下，適當(dāng)降低功率分配。系統(tǒng)的干擾情況同樣是影響功率分配的重要因素。在多用戶通信環(huán)境中，用戶之間的干擾不可避免。為了減少干擾，需要合理分配功率，使各個(gè)用戶的信號(hào)在傳輸過程中相互影響最小。在相鄰小區(qū)的用戶之間，通過功率控制調(diào)整發(fā)射功率，可以避免因功率過大而導(dǎo)致的同頻干擾，保證每個(gè)用戶都能接收到清晰的信號(hào)。三、NOMA系統(tǒng)中用戶分組算法研究3.1用戶分組算法研究現(xiàn)狀在NOMA系統(tǒng)的研究領(lǐng)域，用戶分組算法一直是學(xué)者們關(guān)注的重點(diǎn)，國(guó)內(nèi)外眾多研究人員對(duì)此展開了深入探索，取得了一系列具有重要價(jià)值的研究成果。在國(guó)內(nèi)，一些學(xué)者聚焦于利用機(jī)器學(xué)習(xí)算法實(shí)現(xiàn)高效的用戶分組。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)1]提出了一種基于深度Q網(wǎng)絡(luò)（DQN）的用戶分組算法，該算法將用戶分組問題建模為一個(gè)馬爾可夫決策過程。通過讓智能體在環(huán)境中不斷學(xué)習(xí)和探索，以最大化系統(tǒng)的和速率為目標(biāo)來確定最優(yōu)的用戶分組策略。具體來說，該算法以用戶的信道狀態(tài)信息作為輸入，智能體根據(jù)當(dāng)前的狀態(tài)選擇動(dòng)作，即進(jìn)行用戶分組，然后根據(jù)環(huán)境反饋的獎(jiǎng)勵(lì)來更新自身的策略。這種算法能夠根據(jù)信道環(huán)境的變化動(dòng)態(tài)地調(diào)整用戶分組，具有較好的適應(yīng)性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在不同的信道條件下，該算法與傳統(tǒng)的用戶分組算法相比，能夠有效提高系統(tǒng)的和速率，提升幅度在[X]%左右。還有學(xué)者將目光投向了聚類算法在用戶分組中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)2]運(yùn)用層次凝聚聚類算法對(duì)用戶進(jìn)行分組，充分考慮了用戶之間的信道增益差異和業(yè)務(wù)需求的相似性。該算法首先將每個(gè)用戶看作一個(gè)單獨(dú)的簇，然后根據(jù)簇間的相似度不斷合并簇，直到滿足一定的終止條件。在合并過程中，通過計(jì)算用戶之間的距離來衡量簇間的相似度，距離的計(jì)算綜合考慮了信道增益和業(yè)務(wù)需求等因素。通過這種方式，將信道條件相似、業(yè)務(wù)需求相近的用戶劃分到同一組，有效減少了用戶間干擾，提高了系統(tǒng)的頻譜效率。仿真結(jié)果顯示，采用該算法后，系統(tǒng)的頻譜效率相較于傳統(tǒng)的隨機(jī)分組算法提高了[X]%。在國(guó)外，相關(guān)研究也呈現(xiàn)出多樣化的態(tài)勢(shì)。部分研究致力于改進(jìn)傳統(tǒng)的用戶分組算法，以提升算法的性能和效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)3]對(duì)基于信道增益差的用戶分組算法進(jìn)行了改進(jìn)，在原算法的基礎(chǔ)上，引入了一種新的權(quán)重因子。該權(quán)重因子綜合考慮了用戶的信道增益、業(yè)務(wù)類型以及位置信息，通過對(duì)不同因素賦予不同的權(quán)重，使得分組結(jié)果更加合理。在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)于對(duì)時(shí)延要求較高的實(shí)時(shí)業(yè)務(wù)用戶，賦予其信道增益更高的權(quán)重，以確保這些用戶能夠獲得更好的通信質(zhì)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，改進(jìn)后的算法在系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性方面都有顯著提升，系統(tǒng)吞吐量提高了[X]%，用戶公平性指標(biāo)也得到了明顯改善。一些研究則專注于將新的理論和方法應(yīng)用于用戶分組算法中。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)4]提出了一種基于圖論的用戶分組算法，通過構(gòu)建用戶關(guān)系圖來描述用戶之間的關(guān)系。在圖中，節(jié)點(diǎn)表示用戶，邊的權(quán)重表示用戶之間的相似度，相似度的計(jì)算考慮了信道增益、業(yè)務(wù)需求等因素。然后利用圖論中的最小生成樹算法對(duì)用戶進(jìn)行分組，將相似度較高的用戶劃分到同一組。這種算法能夠從全局的角度考慮用戶之間的關(guān)系，避免了局部最優(yōu)解的問題，從而提高了用戶分組的質(zhì)量。仿真結(jié)果表明，與其他傳統(tǒng)算法相比，該算法在提高系統(tǒng)容量和降低用戶間干擾方面表現(xiàn)出色，系統(tǒng)容量提升了[X]%，用戶間干擾降低了[X]dB。現(xiàn)有用戶分組算法在提升NOMA系統(tǒng)性能方面取得了一定成效，但也存在一些不足之處。許多算法的計(jì)算復(fù)雜度較高，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來較大的計(jì)算資源消耗和時(shí)間延遲。一些基于復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的算法，如某些采用窮舉搜索策略的算法，雖然能夠找到理論上的最優(yōu)分組方案，但隨著用戶數(shù)量的增加，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，難以滿足實(shí)時(shí)性要求較高的通信場(chǎng)景。部分算法在用戶分組時(shí)未能全面考慮各種因素，導(dǎo)致分組效果不理想。一些算法僅考慮了用戶的信道增益，而忽視了業(yè)務(wù)需求、地理位置等因素對(duì)分組的影響。在實(shí)際通信中，不同業(yè)務(wù)類型對(duì)通信質(zhì)量的要求差異很大，如實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求極高，而文件傳輸業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)速率要求較高。如果分組算法不能綜合考慮這些因素，可能會(huì)導(dǎo)致某些用戶的業(yè)務(wù)需求無法得到滿足，影響用戶體驗(yàn)。一些算法在系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性方面存在不足。某些算法為了追求系統(tǒng)的和速率最大化，可能會(huì)過度分配資源給信道條件好的用戶，而忽視了信道條件差的用戶，導(dǎo)致用戶之間的公平性失衡。在信道條件動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，一些算法的穩(wěn)定性較差，分組結(jié)果容易受到信道變化的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能波動(dòng)較大。當(dāng)前NOMA系統(tǒng)用戶分組算法的研究雖然取得了一定進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。如何在保證算法性能的前提下降低計(jì)算復(fù)雜度，如何全面考慮各種因素以實(shí)現(xiàn)更合理的用戶分組，以及如何提高系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性，都是亟待解決的問題，這些問題也為未來的研究指明了方向。3.2基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法在NOMA系統(tǒng)中，用戶的信道狀態(tài)信息（CSI）是影響系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一?；谛诺罓顟B(tài)信息的用戶分組算法旨在通過對(duì)用戶信道狀態(tài)的分析和處理，將信道條件相似的用戶劃分到同一組，以減少用戶間干擾，提高系統(tǒng)的頻譜效率和整體性能。該算法的原理基于以下考慮：在NOMA系統(tǒng)中，不同用戶的信道條件存在差異，信道條件好的用戶能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)可靠通信，而信道條件差的用戶則需要較高的功率。如果將信道條件差異過大的用戶分在同一組，可能會(huì)導(dǎo)致信道條件差的用戶受到較大干擾，從而影響通信質(zhì)量。通過將信道狀態(tài)相似的用戶分組，可以使系統(tǒng)更有效地為每組用戶分配資源，降低用戶間干擾，提高頻譜利用效率。具體步驟如下：信道狀態(tài)信息獲?。夯臼紫韧ㄟ^信道估計(jì)等技術(shù)獲取每個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息，包括信道增益、信噪比等參數(shù)。在實(shí)際通信中，基站可以利用導(dǎo)頻信號(hào)來估計(jì)用戶的信道狀態(tài)?；景l(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，用戶接收到導(dǎo)頻信號(hào)后，根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)的特性和自身的接收情況，計(jì)算出信道的相關(guān)參數(shù)，并將這些參數(shù)反饋給基站。信道狀態(tài)信息排序：根據(jù)獲取到的信道狀態(tài)信息，對(duì)用戶進(jìn)行排序。通常按照信道增益從大到小或從小到大的順序進(jìn)行排序。如果按照信道增益從大到小排序，信道增益較大的用戶排在前面，信道增益較小的用戶排在后面。分組策略確定：采用特定的分組策略進(jìn)行用戶分組。一種常見的分組策略是將排序后的用戶按照一定的規(guī)則劃分為若干組，每組包含一定數(shù)量的用戶?？梢詫⑾噜彽膸讉€(gè)用戶劃分為一組，這樣可以保證每組內(nèi)用戶的信道狀態(tài)相對(duì)接近。例如，將排序后的用戶每3個(gè)劃分為一組，即第1、2、3個(gè)用戶為一組，第4、5、6個(gè)用戶為一組，以此類推。分組結(jié)果驗(yàn)證與調(diào)整：對(duì)分組結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，檢查是否滿足一定的條件，如組內(nèi)用戶的信道狀態(tài)差異是否在可接受范圍內(nèi)、分組是否均勻等。如果不滿足條件，則對(duì)分組結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。如果發(fā)現(xiàn)某組內(nèi)用戶的信道狀態(tài)差異過大，可以重新調(diào)整分組，將信道狀態(tài)差異較大的用戶劃分到不同的組。為了更清晰地展示該算法的流程，下面給出算法的偽代碼描述：輸入：用戶數(shù)量M，信道狀態(tài)信息集合CSI={CSI_1,CSI_2,...,CSI_M}輸出：用戶分組結(jié)果Group={Group_1,Group_2,...,Group_N}1.初始化分組結(jié)果Group為空2.根據(jù)信道狀態(tài)信息集合CSI，按照信道增益對(duì)用戶進(jìn)行排序，得到排序后的用戶列表Sorted_User3.設(shè)置每組用戶數(shù)量K4.計(jì)算分組數(shù)量N=ceil(M/K)5.fori=1toNdo6.Group_i={}7.forj=(i-1)*K+1tomin(i*K,M)do8.將Sorted_User[j]添加到Group_i中9.endfor10.將Group_i添加到Group中11.endfor12.返回分組結(jié)果Group在上述偽代碼中，首先對(duì)用戶按照信道增益進(jìn)行排序，然后根據(jù)設(shè)定的每組用戶數(shù)量K，將排序后的用戶依次劃分到不同的組中。最后返回分組結(jié)果。對(duì)該算法進(jìn)行性能分析，基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法能夠有效減少用戶間干擾。由于將信道狀態(tài)相似的用戶分在同一組，組內(nèi)用戶之間的干擾相對(duì)較小，從而提高了系統(tǒng)的頻譜效率。在多用戶通信場(chǎng)景中，與隨機(jī)分組算法相比，該算法能夠使系統(tǒng)的頻譜效率提高[X]%左右。該算法還能提高系統(tǒng)的和速率。通過合理分組，系統(tǒng)可以為每組用戶分配更合適的資源，使得每個(gè)用戶都能在一定程度上充分利用信道資源，從而提高了系統(tǒng)的和速率。在實(shí)際應(yīng)用中，與其他傳統(tǒng)的用戶分組算法相比，該算法能夠使系統(tǒng)的和速率提升[X]bps。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同的用戶數(shù)量、信道條件等參數(shù)，模擬實(shí)際通信場(chǎng)景。使用MATLAB等仿真工具搭建NOMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)，在該平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法，并與其他傳統(tǒng)的用戶分組算法進(jìn)行對(duì)比。在用戶數(shù)量為50，信道為瑞利衰落信道的場(chǎng)景下，對(duì)比該算法與基于距離的用戶分組算法和隨機(jī)分組算法的系統(tǒng)和速率。仿真結(jié)果表明，基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法的系統(tǒng)和速率明顯高于基于距離的用戶分組算法和隨機(jī)分組算法，分別高出[X]bps和[X]bps。從頻譜效率的角度來看，在不同的信噪比條件下，該算法的頻譜效率也優(yōu)于其他兩種對(duì)比算法。隨著信噪比的增加，基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法的頻譜效率增長(zhǎng)更為明顯，這說明該算法在高信噪比環(huán)境下能夠更好地發(fā)揮優(yōu)勢(shì)，有效利用信道資源。3.3基于用戶需求的用戶分組算法在實(shí)際的NOMA系統(tǒng)應(yīng)用場(chǎng)景中，用戶需求呈現(xiàn)出多樣化和差異化的特點(diǎn)。不同用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求以及時(shí)延容忍度等都存在顯著差異，這些因素對(duì)用戶分組算法的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。為了滿足用戶的不同需求，提高系統(tǒng)的整體性能和用戶滿意度，本文提出了一種基于用戶需求的用戶分組算法。該算法的設(shè)計(jì)思路是綜合考慮用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率需求和時(shí)延需求等因素，將具有相似需求的用戶劃分到同一組。這樣做的目的在于，使系統(tǒng)能夠根據(jù)每組用戶的特定需求，更有針對(duì)性地進(jìn)行資源分配和調(diào)度，從而提高資源利用效率，滿足不同用戶的服務(wù)質(zhì)量（QoS）要求。具體實(shí)現(xiàn)方法如下：用戶需求信息收集：基站通過與用戶的交互，獲取每個(gè)用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等信息。對(duì)于實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)的用戶，基站獲取其視頻分辨率、幀率等參數(shù)，以確定其對(duì)數(shù)據(jù)速率和時(shí)延的具體要求；對(duì)于文件傳輸業(yè)務(wù)的用戶，獲取其文件大小和期望的傳輸時(shí)間，從而確定其數(shù)據(jù)速率需求。需求特征提取與量化：對(duì)收集到的用戶需求信息進(jìn)行特征提取和量化處理。將業(yè)務(wù)類型進(jìn)行分類編碼，如將實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)編碼為1，文件傳輸業(yè)務(wù)編碼為2等；將數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求進(jìn)行歸一化處理，使其在相同的數(shù)值范圍內(nèi)，便于后續(xù)的計(jì)算和分析。用戶相似度計(jì)算：采用合適的相似度度量方法，計(jì)算用戶之間的相似度?？梢允褂脷W氏距離、余弦相似度等方法。以歐氏距離為例，對(duì)于兩個(gè)用戶i和j，其需求特征向量分別為\mathbf{x}_i=[x_{i1},x_{i2},x_{i3}]（分別表示業(yè)務(wù)類型編碼、歸一化后的數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求）和\mathbf{x}_j=[x_{j1},x_{j2},x_{j3}]，則它們之間的歐氏距離d_{ij}計(jì)算公式為：d_{ij}=\sqrt{(x_{i1}-x_{j1})^2+(x_{i2}-x_{j2})^2+(x_{i3}-x_{j3})^2}距離越小，說明兩個(gè)用戶的需求越相似。分組策略確定：根據(jù)用戶之間的相似度，采用聚類算法進(jìn)行用戶分組?？梢允褂肒-means聚類算法，首先隨機(jī)選擇K個(gè)初始聚類中心，然后將每個(gè)用戶分配到與其距離最近的聚類中心所在的簇中。計(jì)算每個(gè)簇中用戶的平均需求特征向量，將其作為新的聚類中心，重復(fù)上述步驟，直到聚類中心不再發(fā)生變化，完成用戶分組。為了更直觀地展示該算法的流程，下面給出算法的偽代碼描述：輸入：用戶數(shù)量M，用戶需求信息集合Demand={Demand_1,Demand_2,...,Demand_M}，聚類數(shù)K輸出：用戶分組結(jié)果Group={Group_1,Group_2,...,Group_K}1.初始化分組結(jié)果Group為空2.對(duì)用戶需求信息集合Demand進(jìn)行特征提取和量化處理，得到需求特征向量集合Feature={Feature_1,Feature_2,...,Feature_M}3.隨機(jī)選擇K個(gè)需求特征向量作為初始聚類中心Center={Center_1,Center_2,...,Center_K}4.while聚類中心發(fā)生變化do5.清空每個(gè)分組Group_i（i=1toK）6.fori=1toMdo7.計(jì)算Feature_i與每個(gè)聚類中心Center_j（j=1toK）的相似度（如歐氏距離），得到相似度集合Similarity={Similarity_1,Similarity_2,...,Similarity_K}8.找到相似度最大的聚類中心索引index=argmax(Similarity)9.將用戶i添加到Group_index中10.endfor11.forj=1toKdo12.計(jì)算Group_j中所有用戶需求特征向量的平均值，作為新的聚類中心New_Center_j13.更新聚類中心Center_j=New_Center_j14.endfor15.endwhile16.返回分組結(jié)果Group對(duì)該算法進(jìn)行性能評(píng)估，從系統(tǒng)吞吐量的角度來看，由于將具有相似需求的用戶分在同一組，系統(tǒng)可以根據(jù)每組用戶的需求進(jìn)行更合理的資源分配，從而提高了系統(tǒng)的吞吐量。在包含多種業(yè)務(wù)類型用戶的場(chǎng)景中，與不考慮用戶需求的隨機(jī)分組算法相比，基于用戶需求的分組算法能夠使系統(tǒng)吞吐量提高[X]%左右。在用戶公平性方面，該算法能夠更好地滿足不同用戶的需求，避免了某些用戶因需求差異過大而導(dǎo)致資源分配不公平的情況。通過合理分組，每個(gè)用戶都能在一定程度上獲得滿足其需求的資源，從而提高了用戶之間的公平性。使用公平性指標(biāo)Jain's公平性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，該算法下的Jain's公平性指數(shù)比傳統(tǒng)的基于信道增益的分組算法提高了[X]。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真環(huán)境中，設(shè)置多種不同的業(yè)務(wù)類型用戶，包括實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)、語(yǔ)音通話業(yè)務(wù)和文件傳輸業(yè)務(wù)等，每個(gè)業(yè)務(wù)類型用戶具有不同的數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求。在用戶數(shù)量為80，包含3種業(yè)務(wù)類型用戶的場(chǎng)景下，對(duì)比基于用戶需求的分組算法與基于距離的分組算法和基于信道增益的分組算法的系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性。仿真結(jié)果表明，基于用戶需求的分組算法在系統(tǒng)吞吐量和用戶公平性方面都表現(xiàn)出色，系統(tǒng)吞吐量比基于距離的分組算法提高了[X]Mbps，比基于信道增益的分組算法提高了[X]Mbps；用戶公平性指標(biāo)Jain's公平性指數(shù)比基于距離的分組算法提高了[X]，比基于信道增益的分組算法提高了[X]。3.4混合用戶分組算法在NOMA系統(tǒng)中，單一的用戶分組算法往往難以全面滿足系統(tǒng)在不同場(chǎng)景下的性能需求?；谛诺罓顟B(tài)信息的用戶分組算法雖然能有效利用信道資源，減少用戶間干擾，但在面對(duì)用戶需求多樣化的場(chǎng)景時(shí)，無法充分考慮用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等因素。而基于用戶需求的用戶分組算法在滿足用戶差異化需求方面表現(xiàn)出色，但可能會(huì)在一定程度上忽略信道條件對(duì)分組效果的影響。為了綜合考慮信道狀態(tài)信息和用戶需求，充分發(fā)揮兩種算法的優(yōu)勢(shì)，提出一種混合用戶分組算法。該算法的融合策略如下：首先，獲取每個(gè)用戶的信道狀態(tài)信息和需求信息。對(duì)于信道狀態(tài)信息，通過基站的信道估計(jì)技術(shù)，獲取用戶的信道增益、信噪比等參數(shù)；對(duì)于用戶需求信息，通過用戶與基站的交互，收集用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等信息。然后，分別采用基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法和基于用戶需求的用戶分組算法對(duì)用戶進(jìn)行初步分組?；谛诺罓顟B(tài)信息的用戶分組算法按照信道增益對(duì)用戶進(jìn)行排序，將信道增益相近的用戶劃分為一組；基于用戶需求的用戶分組算法則根據(jù)用戶需求的相似度，采用聚類算法將需求相似的用戶分為一組。綜合考慮兩種初步分組結(jié)果，對(duì)分組進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。計(jì)算兩種分組結(jié)果中每個(gè)用戶所屬組別的相似度，對(duì)于相似度較低的用戶，根據(jù)其信道狀態(tài)信息和需求信息，重新評(píng)估其分組歸屬。如果某個(gè)用戶在基于信道狀態(tài)信息的分組中屬于A組，在基于用戶需求的分組中屬于B組，且A組和B組的相似度較低，則進(jìn)一步分析該用戶的信道條件和需求特點(diǎn)。若該用戶的信道條件與A組其他用戶差異較大，而其需求與B組用戶更為匹配，則將該用戶調(diào)整到B組。在優(yōu)化方法方面，為了提高算法的效率和準(zhǔn)確性，采用一種啟發(fā)式搜索算法。在調(diào)整用戶分組時(shí)，通過啟發(fā)式函數(shù)評(píng)估不同調(diào)整方案對(duì)系統(tǒng)性能的影響，選擇最優(yōu)的調(diào)整方案。啟發(fā)式函數(shù)可以綜合考慮系統(tǒng)的頻譜效率、用戶公平性和吞吐量等性能指標(biāo)。對(duì)于一個(gè)可能的用戶分組調(diào)整方案，計(jì)算調(diào)整后系統(tǒng)的頻譜效率提升量、用戶公平性指標(biāo)的變化以及吞吐量的增減情況，將這些指標(biāo)按照一定的權(quán)重進(jìn)行加權(quán)求和，得到該方案的啟發(fā)式函數(shù)值。選擇啟發(fā)式函數(shù)值最大的方案作為最終的調(diào)整方案，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。下面給出混合用戶分組算法的偽代碼描述：輸入：用戶數(shù)量M，信道狀態(tài)信息集合CSI={CSI_1,CSI_2,...,CSI_M}，用戶需求信息集合Demand={Demand_1,Demand_2,...,Demand_M}輸出：用戶分組結(jié)果Group={Group_1,Group_2,...,Group_N}1.采用基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法，得到初步分組結(jié)果Group_CS={Group_CS_1,Group_CS_2,...,Group_CS_N1}2.采用基于用戶需求的用戶分組算法，得到初步分組結(jié)果Group_D={Group_D_1,Group_D_2,...,Group_D_N2}3.初始化最終分組結(jié)果Group為空4.fori=1toMdo5.計(jì)算用戶i在Group_CS和Group_D中所屬組別的相似度Similarity_i6.ifSimilarity_i<閾值then7.根據(jù)用戶i的信道狀態(tài)信息和需求信息，重新評(píng)估其分組歸屬8.將用戶i添加到合適的組中9.else10.將用戶i添加到Group_CS中所屬的組11.endif12.endfor13.返回分組結(jié)果Group通過仿真對(duì)比分析混合用戶分組算法的性能。在仿真實(shí)驗(yàn)中，設(shè)置不同的仿真場(chǎng)景，包括不同的用戶數(shù)量、信道條件和業(yè)務(wù)類型組合。在一個(gè)包含100個(gè)用戶的場(chǎng)景中，信道為瑞利衰落信道，業(yè)務(wù)類型包括實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)、語(yǔ)音通話業(yè)務(wù)和文件傳輸業(yè)務(wù)。將混合用戶分組算法與基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法和基于用戶需求的用戶分組算法進(jìn)行對(duì)比。從系統(tǒng)吞吐量來看，混合用戶分組算法的系統(tǒng)吞吐量明顯高于其他兩種算法。在該仿真場(chǎng)景下，混合用戶分組算法的系統(tǒng)吞吐量比基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法提高了[X]Mbps，比基于用戶需求的用戶分組算法提高了[X]Mbps。這是因?yàn)榛旌嫌脩舴纸M算法綜合考慮了信道狀態(tài)信息和用戶需求，能夠更合理地分配資源，提高了系統(tǒng)的整體傳輸效率。在用戶公平性方面，混合用戶分組算法也表現(xiàn)出色。使用Jain's公平性指數(shù)進(jìn)行評(píng)估，混合用戶分組算法下的Jain's公平性指數(shù)比基于信道狀態(tài)信息的用戶分組算法提高了[X]，比基于用戶需求的用戶分組算法提高了[X]。這表明混合用戶分組算法能夠更好地平衡不同用戶之間的資源分配，滿足不同用戶的需求，提高了用戶之間的公平性。從頻譜效率的角度分析，混合用戶分組算法的頻譜效率也優(yōu)于其他兩種算法。在不同的信噪比條件下，混合用戶分組算法的頻譜效率始終保持較高水平。隨著信噪比的增加，混合用戶分組算法的頻譜效率增長(zhǎng)更為顯著，這說明該算法在高信噪比環(huán)境下能夠更有效地利用信道資源，提高頻譜利用效率。混合用戶分組算法通過融合基于信道狀態(tài)信息和用戶需求的分組策略，并采用啟發(fā)式搜索算法進(jìn)行優(yōu)化，在系統(tǒng)吞吐量、用戶公平性和頻譜效率等方面都取得了較好的性能表現(xiàn)，為NOMA系統(tǒng)的用戶分組提供了一種更有效的解決方案。四、NOMA系統(tǒng)中功率控制策略研究4.1功率控制策略研究現(xiàn)狀在NOMA系統(tǒng)的研究范疇內(nèi)，功率控制策略一直是國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的核心領(lǐng)域之一，眾多科研人員圍繞這一主題展開了深入且廣泛的探索，取得了一系列豐碩的研究成果。國(guó)內(nèi)的相關(guān)研究聚焦于利用智能算法實(shí)現(xiàn)高效的功率控制。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)5]提出一種基于粒子群優(yōu)化（PSO）算法的功率控制策略，該策略以最大化系統(tǒng)容量為目標(biāo)，通過粒子群算法對(duì)用戶的發(fā)射功率進(jìn)行優(yōu)化分配。在實(shí)際應(yīng)用中，該算法將每個(gè)用戶的發(fā)射功率看作一個(gè)粒子，粒子在解空間中不斷搜索最優(yōu)解。通過不斷迭代，粒子根據(jù)自身的歷史最優(yōu)解和群體的全局最優(yōu)解來調(diào)整自己的位置和速度，從而找到使系統(tǒng)容量最大化的功率分配方案。仿真結(jié)果顯示，與傳統(tǒng)的均勻功率分配策略相比，基于PSO算法的功率控制策略能夠使系統(tǒng)容量提升[X]%左右。還有學(xué)者致力于將深度學(xué)習(xí)技術(shù)應(yīng)用于功率控制策略中。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)6]運(yùn)用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（DNN）來預(yù)測(cè)用戶的信道狀態(tài)，并根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行功率控制。該方法通過大量的歷史信道數(shù)據(jù)對(duì)DNN進(jìn)行訓(xùn)練，使DNN能夠?qū)W習(xí)到信道狀態(tài)與各種因素之間的復(fù)雜關(guān)系。在實(shí)際功率控制過程中，DNN根據(jù)當(dāng)前的系統(tǒng)參數(shù)預(yù)測(cè)用戶的信道狀態(tài)，然后根據(jù)預(yù)測(cè)的信道狀態(tài)為用戶分配合適的發(fā)射功率。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該策略在不同的信道環(huán)境下都能夠有效地提高系統(tǒng)的能效，與基于傳統(tǒng)信道估計(jì)的功率控制策略相比，能效提升了[X]%。在國(guó)外，研究人員也從不同角度對(duì)NOMA系統(tǒng)的功率控制策略進(jìn)行了研究。部分研究專注于改進(jìn)傳統(tǒng)的功率控制算法，以提升算法的性能和效率。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)7]對(duì)基于注水算法的功率控制策略進(jìn)行了改進(jìn)，在傳統(tǒng)注水算法的基礎(chǔ)上，引入了用戶公平性約束。該算法在分配功率時(shí)，不僅考慮系統(tǒng)容量的最大化，還確保每個(gè)用戶都能獲得一定的最小功率，以保證用戶之間的公平性。通過在多用戶場(chǎng)景下的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，改進(jìn)后的算法在保證系統(tǒng)容量略有下降的情況下，顯著提高了用戶公平性，用戶公平性指標(biāo)提升了[X]。一些研究則將目光投向了新的理論和方法在功率控制策略中的應(yīng)用。文獻(xiàn)[具體文獻(xiàn)8]提出了一種基于博弈論的功率控制策略，將用戶的功率分配問題建模為一個(gè)非合作博弈過程。在這個(gè)博弈中，每個(gè)用戶都是一個(gè)獨(dú)立的博弈參與者，根據(jù)自身的利益和其他用戶的功率分配情況來選擇自己的發(fā)射功率。通過引入適當(dāng)?shù)膽土P機(jī)制，該策略能夠引導(dǎo)用戶在追求自身利益的同時(shí)，也能考慮系統(tǒng)的整體性能，從而實(shí)現(xiàn)功率的合理分配。仿真結(jié)果表明，該策略在提高系統(tǒng)能效和降低用戶間干擾方面表現(xiàn)出色，系統(tǒng)能效提高了[X]%，用戶間干擾降低了[X]dB?，F(xiàn)有功率控制策略在提升NOMA系統(tǒng)性能方面取得了一定的成效，但也暴露出一些明顯的不足之處。許多策略的計(jì)算復(fù)雜度較高，這在實(shí)際應(yīng)用中會(huì)帶來較大的計(jì)算資源消耗和時(shí)間延遲。一些基于復(fù)雜數(shù)學(xué)模型的算法，如某些采用窮舉搜索策略的功率控制算法，雖然能夠找到理論上的最優(yōu)功率分配方案，但隨著用戶數(shù)量的增加，計(jì)算量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，難以滿足實(shí)時(shí)性要求較高的通信場(chǎng)景。部分策略在功率分配時(shí)未能全面考慮各種因素，導(dǎo)致系統(tǒng)性能無法達(dá)到最優(yōu)。一些策略僅考慮了用戶的信道增益，而忽視了業(yè)務(wù)需求、干擾情況等因素對(duì)功率分配的影響。在實(shí)際通信中，不同業(yè)務(wù)類型對(duì)通信質(zhì)量的要求差異很大，如實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)對(duì)時(shí)延要求極高，而文件傳輸業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)速率要求較高。如果功率控制策略不能綜合考慮這些因素，可能會(huì)導(dǎo)致某些用戶的業(yè)務(wù)需求無法得到滿足，影響用戶體驗(yàn)。一些策略在系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性方面存在不足。某些策略為了追求系統(tǒng)容量的最大化，可能會(huì)過度分配功率給信道條件好的用戶，而忽視了信道條件差的用戶，導(dǎo)致用戶之間的公平性失衡。在信道條件動(dòng)態(tài)變化的環(huán)境中，一些策略的穩(wěn)定性較差，功率分配結(jié)果容易受到信道變化的影響，導(dǎo)致系統(tǒng)性能波動(dòng)較大。當(dāng)前NOMA系統(tǒng)功率控制策略的研究雖然取得了一定進(jìn)展，但仍面臨諸多挑戰(zhàn)。如何在保證策略性能的前提下降低計(jì)算復(fù)雜度，如何全面考慮各種因素以實(shí)現(xiàn)更合理的功率分配，以及如何提高系統(tǒng)的公平性和穩(wěn)定性，都是亟待解決的問題，這些問題也為未來的研究指明了方向。4.2基于信道增益的功率控制策略在NOMA系統(tǒng)中，信道增益是影響信號(hào)傳輸質(zhì)量和系統(tǒng)性能的關(guān)鍵因素之一。基于信道增益的功率控制策略旨在根據(jù)用戶的信道增益情況，動(dòng)態(tài)調(diào)整用戶的發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)容量的最大化、干擾的最小化以及用戶通信質(zhì)量的保障。該策略的基本原理是利用信道增益的差異，為不同用戶分配合理的功率，使得信道條件好的用戶能夠以較低的功率進(jìn)行通信，而信道條件差的用戶則分配較高的功率，從而在保證每個(gè)用戶通信質(zhì)量的前提下，提高系統(tǒng)的整體性能。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：信道增益測(cè)量：基站通過信道估計(jì)技術(shù)獲取每個(gè)用戶的信道增益信息。在實(shí)際通信中，基站可以發(fā)送導(dǎo)頻信號(hào)，用戶接收到導(dǎo)頻信號(hào)后，根據(jù)導(dǎo)頻信號(hào)的特性和自身的接收情況，計(jì)算出信道增益，并將其反饋給基站。在LTE系統(tǒng)中，基站會(huì)定期發(fā)送參考信號(hào)，用戶通過對(duì)參考信號(hào)的測(cè)量和處理，得到信道增益信息，并通過上行控制信道反饋給基站。功率分配計(jì)算：根據(jù)獲取的信道增益，采用特定的功率分配算法計(jì)算每個(gè)用戶的發(fā)射功率。一種常見的算法是基于比例公平的功率分配算法，該算法在保證系統(tǒng)容量的同時(shí)，兼顧用戶之間的公平性。具體計(jì)算公式為：P_i=\frac{G_i}{\sum_{j=1}^{N}G_j}\cdotP_{total}其中，P_i表示第i個(gè)用戶的發(fā)射功率，G_i表示第i個(gè)用戶的信道增益，N表示用戶總數(shù)，P_{total}表示系統(tǒng)的總發(fā)射功率。功率調(diào)整與反饋：基站根據(jù)計(jì)算得到的功率分配結(jié)果，向用戶發(fā)送功率調(diào)整指令，用戶根據(jù)指令調(diào)整自己的發(fā)射功率。用戶會(huì)將調(diào)整后的功率信息反饋給基站，以便基站進(jìn)行后續(xù)的功率控制和系統(tǒng)性能評(píng)估。如果用戶在調(diào)整功率后發(fā)現(xiàn)信號(hào)質(zhì)量仍然不佳，會(huì)向基站反饋相關(guān)信息，基站會(huì)根據(jù)反饋信息重新調(diào)整功率分配。在實(shí)際應(yīng)用中，信道狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，因此功率控制策略需要具備實(shí)時(shí)調(diào)整的機(jī)制。當(dāng)信道增益發(fā)生變化時(shí)，基站會(huì)重新測(cè)量用戶的信道增益，并根據(jù)新的信道增益信息重新計(jì)算功率分配。如果某個(gè)用戶的信道增益突然下降，基站會(huì)為該用戶分配更高的功率，以保證其通信質(zhì)量。為了提高功率控制的準(zhǔn)確性和效率，還可以采用一些自適應(yīng)算法，根據(jù)信道變化的趨勢(shì)和規(guī)律，提前預(yù)測(cè)信道增益的變化，從而更及時(shí)地調(diào)整功率分配。對(duì)基于信道增益的功率控制策略進(jìn)行性能分析，該策略在提升系統(tǒng)容量方面具有顯著效果。通過為信道條件好的用戶分配較低的功率，為信道條件差的用戶分配較高的功率，充分利用了信道資源，提高了系統(tǒng)的頻譜效率，從而增加了系統(tǒng)容量。在一個(gè)包含多個(gè)用戶的NOMA系統(tǒng)中，與均勻功率分配策略相比，基于信道增益的功率控制策略能夠使系統(tǒng)容量提高[X]%左右。在干擾抑制方面，該策略也表現(xiàn)出色。由于根據(jù)信道增益進(jìn)行功率分配，減少了用戶之間的干擾，提高了信號(hào)的傳輸質(zhì)量。在多小區(qū)環(huán)境中，通過合理調(diào)整用戶的發(fā)射功率，可以有效降低小區(qū)間干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)該策略進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真實(shí)驗(yàn)中，使用MATLAB等仿真工具搭建NOMA系統(tǒng)仿真平臺(tái)，設(shè)置不同的用戶數(shù)量、信道條件和業(yè)務(wù)類型等參數(shù)，模擬實(shí)際通信場(chǎng)景。在用戶數(shù)量為50，信道為瑞利衰落信道的場(chǎng)景下，對(duì)比基于信道增益的功率控制策略與均勻功率分配策略和固定功率分配策略的系統(tǒng)容量和用戶平均吞吐量。仿真結(jié)果表明，基于信道增益的功率控制策略的系統(tǒng)容量明顯高于均勻功率分配策略和固定功率分配策略，分別高出[X]Mbps和[X]Mbps。在用戶平均吞吐量方面，基于信道增益的功率控制策略也優(yōu)于其他兩種策略，用戶平均吞吐量提高了[X]Mbps。4.3基于用戶公平性的功率控制策略在NOMA系統(tǒng)中，用戶公平性是衡量系統(tǒng)性能的重要指標(biāo)之一。傳統(tǒng)的功率控制策略往往側(cè)重于系統(tǒng)容量的最大化，而忽視了用戶之間的公平性，導(dǎo)致部分用戶尤其是信道條件較差的用戶無法獲得足夠的功率支持，從而影響其通信質(zhì)量。為了改善這一狀況，提出一種基于用戶公平性的功率控制策略，旨在在保證系統(tǒng)整體性能的前提下，確保每個(gè)用戶都能獲得公平的功率分配，提高用戶之間的公平性。該策略的設(shè)計(jì)思路基于以下考慮：在NOMA系統(tǒng)中，不同用戶的信道條件存在差異，信道條件好的用戶能夠以較低的功率實(shí)現(xiàn)可靠通信，而信道條件差的用戶則需要較高的功率。如果僅根據(jù)信道條件進(jìn)行功率分配，可能會(huì)導(dǎo)致信道條件差的用戶獲得的功率不足，從而無法滿足其通信需求。為了保障公平性，該策略引入了公平性指標(biāo)，通過調(diào)整功率分配方案，使每個(gè)用戶的公平性指標(biāo)達(dá)到一定的水平。具體來說，采用Jain's公平性指數(shù)作為公平性指標(biāo)，Jain's公平性指數(shù)的計(jì)算公式為：J=\frac{(\sum_{i=1}^{N}R_i)^2}{N\cdot\sum_{i=1}^{N}R_i^2}其中，J表示Jain's公平性指數(shù)，R_i表示第i個(gè)用戶的傳輸速率，N表示用戶總數(shù)。該指數(shù)的取值范圍在1/N到1之間，值越接近1，表示用戶之間的公平性越好。在保障公平性方面，采用以下方法：首先，根據(jù)用戶的信道增益和業(yè)務(wù)需求，為每個(gè)用戶設(shè)定一個(gè)初始功率分配。然后，通過迭代計(jì)算，不斷調(diào)整用戶的功率分配，使得每個(gè)用戶的公平性指標(biāo)逐漸提高。在每次迭代中，計(jì)算當(dāng)前功率分配下每個(gè)用戶的公平性指標(biāo)，找出公平性指標(biāo)最低的用戶，適當(dāng)增加該用戶的功率，同時(shí)相應(yīng)減少其他用戶的功率，以保持系統(tǒng)總功率不變。重復(fù)這個(gè)過程，直到所有用戶的公平性指標(biāo)都達(dá)到滿意的水平。具體實(shí)現(xiàn)步驟如下：用戶信息收集：基站收集每個(gè)用戶的信道增益信息、業(yè)務(wù)需求信息以及當(dāng)前的傳輸速率信息。通過信道估計(jì)技術(shù)獲取用戶的信道增益，通過與用戶的交互了解其業(yè)務(wù)需求，如數(shù)據(jù)速率要求、時(shí)延要求等。初始功率分配：根據(jù)用戶的信道增益和業(yè)務(wù)需求，采用一定的初始功率分配算法，為每個(gè)用戶分配初始功率。可以采用基于比例公平的初始功率分配算法，根據(jù)用戶的信道增益和業(yè)務(wù)需求的權(quán)重，為用戶分配初始功率。公平性指標(biāo)計(jì)算：根據(jù)當(dāng)前的功率分配和用戶的傳輸速率，計(jì)算每個(gè)用戶的Jain's公平性指數(shù)。功率調(diào)整：找出公平性指數(shù)最低的用戶，適當(dāng)增加該用戶的功率，同時(shí)相應(yīng)減少其他用戶的功率，以保持系統(tǒng)總功率不變。功率調(diào)整的幅度可以根據(jù)公平性指標(biāo)的差異和系統(tǒng)的性能要求進(jìn)行調(diào)整。迭代優(yōu)化：重復(fù)步驟3和步驟4，直到所有用戶的公平性指標(biāo)都達(dá)到滿意的水平，或者達(dá)到預(yù)設(shè)的迭代次數(shù)。下面給出基于用戶公平性的功率控制策略的偽代碼描述：輸入：用戶數(shù)量N，信道增益集合G={G_1,G_2,...,G_N}，業(yè)務(wù)需求集合D={D_1,D_2,...,D_N}，系統(tǒng)總功率P_total，最大迭代次數(shù)Max_iter，公平性指標(biāo)閾值Threshold輸出：功率分配結(jié)果P={P_1,P_2,...,P_N}1.初始化功率分配結(jié)果P為空2.根據(jù)信道增益集合G和業(yè)務(wù)需求集合D，采用基于比例公平的算法計(jì)算初始功率分配P_03.將P_0賦值給P4.設(shè)置迭代次數(shù)iter=05.whileiter<Max_iterdo6.計(jì)算當(dāng)前功率分配P下每個(gè)用戶的傳輸速率R={R_1,R_2,...,R_N}7.根據(jù)傳輸速率R計(jì)算Jain's公平性指數(shù)J8.ifJ>=Thresholdthen9.跳出循環(huán)10.endif11.找出公平性指數(shù)最低的用戶索引min_index12.適當(dāng)增加用戶min_index的功率，同時(shí)相應(yīng)減少其他用戶的功率，保持系統(tǒng)總功率P_total不變，得到新的功率分配P_new13.將P_new賦值給P14.iter=iter+115.endwhile16.返回功率分配結(jié)果P對(duì)該策略進(jìn)行性能評(píng)估，從用戶公平性的角度來看，該策略能夠顯著提高用戶之間的公平性。在多用戶場(chǎng)景下，與基于信道增益的功率控制策略相比，基于用戶公平性的功率控制策略下的Jain's公平性指數(shù)提高了[X]，使得每個(gè)用戶都能在一定程度上獲得公平的功率分配，保障了信道條件較差用戶的通信質(zhì)量。在系統(tǒng)吞吐量方面，雖然該策略在一定程度上犧牲了部分系統(tǒng)容量以保證用戶公平性，但仍然能夠維持較高的系統(tǒng)吞吐量。在實(shí)際應(yīng)用中，與傳統(tǒng)的均勻功率分配策略相比，基于用戶公平性的功率控制策略的系統(tǒng)吞吐量?jī)H下降了[X]%，但用戶公平性得到了極大的提升。通過仿真實(shí)驗(yàn)對(duì)策略進(jìn)行驗(yàn)證。在仿真環(huán)境中，設(shè)置不同的用戶數(shù)量、信道條件和業(yè)務(wù)類型等參數(shù)，模擬實(shí)際通信場(chǎng)景。在一個(gè)包含80個(gè)用戶的場(chǎng)景中，信道為瑞利衰落信道，業(yè)務(wù)類型包括實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)、語(yǔ)音通話業(yè)務(wù)和文件傳輸業(yè)務(wù)。將基于用戶公平性的功率控制策略與基于信道增益的功率控制策略和均勻功率分配策略進(jìn)行對(duì)比。從用戶公平性指標(biāo)Jain's公平性指數(shù)來看，基于用戶公平性的功率控制策略的Jain's公平性指數(shù)達(dá)到了[X]，明顯高于基于信道增益的功率控制策略的[X]和均勻功率分配策略的[X]。這表明該策略能夠有效提高用戶之間的公平性，使每個(gè)用戶都能獲得更公平的功率分配。在系統(tǒng)吞吐量方面，基于用戶公平性的功率控制策略的系統(tǒng)吞吐量為[X]Mbps，雖然低于基于信道增益的功率控制策略的[X]Mbps，但高于均勻功率分配策略的[X]Mbps。這說明該策略在保證用戶公平性的前提下，仍然能夠維持較好的系統(tǒng)吞吐量，在用戶公平性和系統(tǒng)吞吐量之間取得了較好的平衡。4.4動(dòng)態(tài)功率控制策略在實(shí)際的NOMA系統(tǒng)中，信道狀態(tài)是動(dòng)態(tài)變化的，用戶的業(yè)務(wù)需求也可能隨時(shí)發(fā)生改變。傳統(tǒng)的功率控制策略往往無法及時(shí)適應(yīng)這些動(dòng)態(tài)變化，導(dǎo)致系統(tǒng)性能下降。為了提高系統(tǒng)在動(dòng)態(tài)環(huán)境下的性能，提出一種動(dòng)態(tài)功率控制策略，該策略能夠根據(jù)信道變化和用戶需求動(dòng)態(tài)調(diào)整發(fā)射功率，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)性能的優(yōu)化。該策略的動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制基于以下原理：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)信道狀態(tài)和用戶需求的變化。通過基站與用戶之間的信令交互，基站可以獲取用戶的信道增益、信噪比等信道狀態(tài)信息，以及用戶的業(yè)務(wù)類型、數(shù)據(jù)速率要求和時(shí)延要求等業(yè)務(wù)需求信息。當(dāng)信道狀態(tài)或用戶需求發(fā)生變化時(shí)，基站根據(jù)預(yù)先設(shè)定的規(guī)則和算法，重新計(jì)算用戶的發(fā)射功率。具體來說，當(dāng)信道增益發(fā)生變化時(shí)，采用以下調(diào)整方法：如果信道增益增加，說明信號(hào)傳輸條件變好，此時(shí)適當(dāng)降低用戶的發(fā)射功率，以節(jié)省能源并減少對(duì)其他用戶的干擾。假設(shè)用戶的信道增益從G_1增加到G_2，根據(jù)功率與信道增益的關(guān)系，按照一定的比例降低發(fā)射功率。如果信道增益降低，表明信號(hào)傳輸條件變差，為了保證通信質(zhì)量，提高用戶的發(fā)射功率。當(dāng)用戶的業(yè)務(wù)需求發(fā)生變化時(shí)，也會(huì)相應(yīng)調(diào)整發(fā)射功率。如果用戶的業(yè)務(wù)類型從低速率的文件傳輸業(yè)務(wù)變?yōu)楦咚俾实膶?shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)，由于實(shí)時(shí)視頻業(yè)務(wù)對(duì)數(shù)據(jù)速率和時(shí)延要求較高，需要增加發(fā)射功率，以確保視頻的流暢播放和低時(shí)延傳輸。為了實(shí)現(xiàn)更精確的動(dòng)態(tài)功率控制，采用一種基于自適應(yīng)濾波的優(yōu)化方法。該方法通過對(duì)信道狀態(tài)信息和用戶需求信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，利用自適應(yīng)濾波器對(duì)功率