突破信号限制让5G网络更省电更顺畅

随着智能手机的普及和移动互联网的飞速发展，我们每天都在消耗着海量的数据。为了让更多人能同时拥有飞快的网速，科学家们提出了“非正交多址接入（NOMA）”的技术。简单来说，传统的通信网络就像是单行道，每个人必须独占一条车道；而NOMA技术允许不同的人在同一条车道上“叠行”，通过分配不同大小的信号发射功率，让大家共享车道，从而大幅提升网络的整体容量。这项技术也被认为是第五代移动通信（5G）的关键技术之一。

在现实世界中，让NOMA完美运行面临着两个巨大的现实挑战。首先是能耗问题。流量的暴增意味着基站需要消耗巨大的电能，不仅带来了高昂的运营成本，还会带来大量二氧化碳排放。因此，我们需要追求“能效（Energy Efficiency）”，即每消耗1焦耳的电能，能传输多少比特的数据。

其次是“不完美”的信道状态。要想在同一条通道上完美区分开不同用户的信号，基站需要精准地了解每一个用户的信号环境（即信道状态信息，CSI）。但现实中，由于干扰和距离等因素，基站通常只能“估算”出一个大概的信号状态，这就是所谓的“不完美CSI”。如果基站基于这种错误的估算盲目发送数据，用户的网络就会卡顿甚至断线（学术上称为“中断”）。

为了在“不完美”的信号环境中既省电又保持网络畅通，研究人员将这个问题转化为了一道复杂的数学优化题。设定了几个必须遵守的规则：保证网络中断的概率极低、总耗电不能超标、每个用户的网速有最低保障，以及一条通道上最多只能挤几个用户。

由于这道题过于复杂（在数学上属于非凸优化问题，直接求解的计算量极大），研究人员采取了“分而治之”的策略，设计了一套包含两步的迭代算法：

（1）用户分组“排座位”（User Scheduling）： 如果要算出所有用户在不同通道上的最佳组合，计算量如同天文数字。研究人员发明了一种低复杂度的“次优”分组算法（Algorithm 2）。它不需要像穷举法那样把所有可能性都试一遍，而是通过一套规则快速把最适合在一起传输的用户安排在同一条通道上。

（2）智能调节“音量”（Power Allocation）： 座位排好后，基站需要决定对每个用户用多大的功率发送信号（Algorithm 3）。研究人员利用了拉格朗日乘数法和分数规划等数学工具，推导出了最优的功率分配公式。这个算法会不断自我循环调整，直到找出能效最高的那一个平衡点。

为了验证这套方法的有效性，研究人员在电脑中搭建了一个模拟的通信场景：中心是一个基站，周围500米半径内随机散布着最多75个用户，大家共享5MHz的带宽，每条通道最多允许3个用户共享。实验测试结果如下：

图1展示了系统总能效与用户数量的关系。结果表明，当用户数量不断增加时，研究人员提出的这套NOMA资源分配新方案，其能效表现明显超越了此前的旧NOMA方案，更远远甩开了传统的OFDMA（正交频分多址）系统。

图3对比了研究人员发明的“快速排座位”算法与把所有可能性都算一遍的“穷举法”。数据显示，随着基站最大发射功率的增加，这种低复杂度的快速算法所能达到的能效几乎与穷举法的最优成绩一致。例如在特定功率下，最慢最笨的穷举法也仅仅比新算法多出1.1%的能效。证明新算法既聪明又极大地节省了计算时间。

在图5中，研究人员直观地比较了新方案与传统技术的省电能力。数据指出，在一个包含30个用户的场景下，这套基于NOMA的新方案，比采用平均功率分配的传统OFDMA系统在能效上足足提高了38%。

学者介绍：程之申（Julian Cheng），大湾区大学信息科学技术学院院长、讲席教授，加拿大工程院院士、加拿大工程研究院院士、IEEE Fellow、Optica Fellow。主要从事无线通信理论、无线光通信及无线网络研究，研究内容涉及无线数字通信、光无线通信、6G无线网络、无线网络资源分配与优化、机器人通信，以及机器学习在无线通信中的应用等方向，聚焦先进无线通信系统的理论建模、资源优化、通信与感知技术及原型系统研发。

ORCID：0000-0001-6310-8236

DOI：10.1109/JSAC.2017.2777672