结合C-NOMA技术的快于奈奎斯特（Faster-than-Nyquist）信号传输在VLC（Very Low Complexity）信道中的应用：多指标性能评估

《Optik》：Faster-than-nyquist signaling integrated with C-NOMA in VLC channels: A multi-metric performance evaluation

　　摘要

本文对可见光通信（VLC）信道中基于Faster-Than-Nyquist（FTN）信号的协作非正交多址接入（C-NOMA）性能进行了分析。针对FTN C-NOMA、Nyquist C-NOMA、FTN-NOMA和Nyquist-NOMA进行了比较评估，考虑了可实现速率、比特误码率（BER）、中断概率（OP）、频谱效率（SE）、能量效率（EE）以及信号与干扰加噪声比（SINR）等指标。该系统结合了发射机角度多样性、接收端的最大比合并（MRC）和连续干扰消除（SIC），并比较了有无MRC情况下的性能。结果表明，FTN C-NOMA在保持良好BER和OP性能的同时，提升了SE和EE。所提出的基于VLC的FTN C-NOMA设计在确定性的视距（LOS）朗伯信道模型下，SINR为15 dB时，能够实现较低的中断概率。这些结果对应于理想的VLC操作条件，因此应被视为系统性能的上限。

引言

可见光通信（VLC）作为标准射频（RF）基础网络通信的下一代关键技术，已受到研究领域的广泛关注。VLC利用不受控制的380–780纳米光谱，通过发光二极管（LED）和光电探测器（PD）实现高速、无需许可的通信。由于VLC具有高方向性、强抗干扰能力和空间复用等优点[3]、[23]、[30]，它成为下一代室内接入网络、车对车（V2V）链接和混合光/无线通信的理想选择。然而，VLC的通信性能受到视距（LoS）要求、接收机的方向敏感性以及LED有限调制带宽的限制，这些因素都限制了其容量。因此，需要在这些约束条件下通过先进的信号处理和多址接入技术来实现高数据速率[4]、[18]。

在多用户VLC网络中，高效利用频谱和用户公平性是重要的设计挑战。传统的正交多址接入（OMA）为每个用户分配不同的时间或频率资源，从而限制了频谱效率。相比之下，非正交多址接入（NOMA）允许多个用户通过叠加其功率域信号来共享相同的时频资源，从而提高吞吐量和用户连接性[11]、[16]。在典型的下行链路NOMA系统中，靠近发射机的用户（强用户）使用连续干扰消除（SIC）来解码并减去较弱用户的信号，然后再检测自己的数据。然而，NOMA存在公平性问题，因为向远端用户分配更多功率会降低近端用户的性能。

为了解决这一问题，引入了协作非正交多址接入（C-NOMA），通过中继机制（近端用户通过解码转发（DF）合作通信方式转发远端用户的信号），从而在不增加额外天线的条件下提高非正交多址接入的可靠性和公平性；这样，近端用户只需一个天线即可。根据实现方式的不同，近端用户可以处于半双工模式[13]。同时，提出了由多个光电探测器（PD）组成的角度多样性接收器（ADRs），通过组合技术增加PD的接收范围并提升吞吐量[1]。尽管ADR提高了角度敏感性，但要进一步提高频谱效率，还需要开发高性能的多址接入方案，如功率域NOMA。在这种多址接入方法中，基站（BS）使用叠加编码为远端用户分配更高功率，为近端用户分配更低功率，并在同一资源上传输两个信号。在功率域NOMA中，远端用户必须在用户间干扰存在的情况下解码自己的数据。相比之下，近端用户使用连续干扰消除（SIC）来恢复数据[5]、[26]。

类似于NOMA在接入域的非正交性，Faster-Than-Nyquist（FTN）信号在时间域引入了受控的非正交性，以进一步提高频谱效率[15]、[29]。FTN通过将符号间隔压缩到低于消除符号间干扰（ISI）所需的限度，放宽了Nyquist的正交性条件，使得传输速率超过Nyquist限制[38]，尽管由于相邻脉冲的时间重叠不可避免地会产生ISI。对于带宽受限的信道，FTN有助于补偿实际脉冲成形滤波器（如根升余弦（RRC）滤波器）造成的容量下降[38]。

由于FTN信号传输速度超过Nyquist间隔信号，因此在接收端必须减轻ISI。文献中提出了多种FTN收发器技术。在发射端，采用了预均衡[17]、[20]和预编码方法[14]；在接收端，研究了最大似然（ML）序列估计及其简化复杂度变体[32]、频域均衡[35]以及结合容量逼近信道码的迭代检测技术[36]。最近，FTN与NOMA结合，产生了FTN-NOMA，在异步上行链路[21]、[37]和下行链路场景中进行了研究，展示了其在多用户系统中提高频谱效率的显著潜力。

由于VLC系统本身受到LED调制限制的带宽限制，FTN特别适用于在这些限制条件下提高容量。因此，将FTN与C-NOMA结合可以共同解决带宽限制和公平性问题，使得FTN-CNOMA成为下一代VLC系统的有前景的候选方案。本文对基于NOMA的VLC系统进行了全面回顾，强调了它们提高频谱效率、系统容量和用户连接性的潜力，这与我们关于VLC信道上FTN-CNOMA研究的动机一致[25]。参考文献[19]分析了下行链路多用户NOMA-VLC系统，并展示了多路径环境下的性能提升。参考文献[27]表明，角度多样性和MRC技术可以有效提高VLC系统的可靠性和抗干扰能力。通过考虑实际的信道损伤和信号组合方案，作者报告了BER和SINR性能的显著改进。受到这些优势的启发，本研究在协作NOMA基础VLC框架内结合了角度多样性传输和接收端MRC。参考文献[31]研究了几种接收组合技术（包括SBC、EGC、GSC和MRC）在采用角度多样性接收器的室内VLC系统中的性能，结果显示MRC在存在小区间干扰的情况下有效地结合接收到的光信号，实现了最高的SINR和用户数据速率。这些发现证明了MRC在提高VLC系统信号质量方面的优势。参考文献[28]提出了一种适用于地下采矿VLC系统的自适应半十二面体角度多样性接收器，该接收器的方向根据接收到的最强光信号进行调整，与传统的固定方向ADR设计相比，提高了接收功率、用户数据速率和BER。这些结果进一步证明了角度多样性技术对提高VLC系统性能的重要性。

参考文献[13]对采用解码转发和放大转发中继协议的协作功率域NOMA系统进行了全面回顾。他们的研究考察了各种协作NOMA架构，并强调了它们对无线网络性能的提升作用。然而，参考文献[13]主要关注传统的协作NOMA框架，并未考虑FTN信号或VLC特定的LOS信道特性。在基于这些协作NOMA框架的基础上，本研究考虑了结合FTN信号、发射机角度多样性、SIC和接收端组合的VLC环境。所提出的框架在确定性LOS VLC信道条件下，从BER、中断概率、SINR、频谱效率和能量效率等方面评估了系统性能。最近的研究[33]探讨了利用同时无线信息和能量传输（SWIPT）协议（如时间切换和功率分割）的节能型C-NOMA框架。这些工作展示了与传统NOMA和OMA系统相比，中断概率降低和总速率性能的改进。协作中继策略也被用于提高基于VLC的NOMA系统的可靠性和覆盖范围[2]。同时，角度多样性接收器也被证明可以在用户方向变化的情况下提高吞吐量。

除了VLC之外，参考文献[7]还研究了基于RF信道的FTN-NOMA。他们分析了Rayleigh衰落信道下的FTN-CNOMA，评估了容量和中断概率。虽然提高了频谱效率，但由于衰落限制，远端用户的中断概率仍然较高。现有的RF中的FTN研究[10]、[34]进一步强调了ISI、中断性能和接收机复杂性等挑战。尽管如此，基于FTN的多址接入在VLC中的潜力仍然很大程度上未被探索，尽管VLC信道受益于视距传播和减少的衰落。本文分析了一个基于FTN的协作NOMA系统在VLC信道上的性能，使用了解码转发中继，评估了在不同信道参数和FTN加速因子下的性能。相比之下，本研究将这一框架扩展到更广泛的基于FTN的协作VLC-NOMA分析，结合了发射机角度多样性和接收端MRC，以及额外的系统级指标（如中断概率、频谱效率和能量效率在LOS信道条件下的表现[6]。

据作者所知，目前还没有研究在VLC中结合MRC的FTN基C-NOMA系统。现有的研究主要关注Nyquist信号、非协作NOMA或简化的多样性方案。所提出的框架独特地结合了FTN信号与协作DF中继、发射机角度多样性、MRC和SIC，能够在MRC和非MRC情况下全面评估SINR、BER、中断概率、SE和EE。

随着5G之后对超低延迟长连接（URLLC）和大规模多输入多输出（mMTC）需求的增加，提高可靠性、SE和EE的信令技术至关重要。通过采用FTN来减轻ISI并利用角度多样性和接收端组合来增强空间鲁棒性，所提出的系统相比VLC-NOMA和基于RF的FTN-CNOMA实现了更好的链路性能。具体来说，它提供了更低的中断概率、更高的吞吐量和在高SINR下的更低BER，使FTN C-NOMA VLC成为下一代光无线网络的强劲候选者。

如表1所示，之前的研究要么考虑了没有FTN的VLC-NOMA[2]，要么考虑了没有NOMA的FTN容量基础[8]，要么考虑了RF衰落信道中的FTN-CNOMA[7]。没有研究关注VLC特有的特性，如角度多样性、MRC等。相比之下，所提出的系统将FTN信号、协作NOMA、角度多样性、DF中继、MRC和SIC结合到一个VLC框架中。这种组合提高了空间鲁棒性，减少了ISI，并在可实现速率、BER、中断概率、SE和EE等多个指标上取得了改进。仿真显示了更好的性能，包括更高的吞吐量、在高SINR下的更低BER、更高的SE以及显著更低的中断概率。

本文的主要贡献总结如下：
- **FTN信号与基于VLC的C-NOMA的集成**：本文介绍了在VLC信道上基于FTN的C-NOMA信号。所提出的系统联合利用了FTN的协作多样性和频谱压缩，显著提高了SE和EE。
- **全面的性能评估**：对FTN C-NOMA、Nyquist C-NOMA、FTN-NOMA和Nyquist NOMA方案进行了彻底的比较，涵盖了包括可实现速率、BER、OP、SE、EE和SINR在内的关键性能指标。
- **增强多样性的接收器设计和干扰管理**：所提出的系统在源端利用发射机角度多样性，在接收端结合了MRC和SIC。分析表明，基于NOMA的VLC系统在减轻用户间干扰和增强鲁棒性的同时，可以在SINR上取得显著提升。
- **优越的中断性能和可靠性**：根据仿真，所提出的FTN C-NOMA在15 dB SINR的确定性LOS朗伯信道模型下实现了较低的中断概率。

本文的其余部分结构如下：第2节介绍了基于FTN的C-NOMA方案及其VLC系统模型，并提供了包括MRC、可实现速率和OP在内的全面性能分析。第3节探讨了BER、可实现速率、SE和OP的仿真结果。第4节对全文进行了总结。

图1 提出的基于FTN的协作NOMA-VLC系统模型来自参考文献[6]。发射机使用两个不同方向的LED来实现角度多样性传输。这些LED决定了接收端观察到的信道增益，而组合操作在接收端的多个PD分支上执行。FTN-NOMA基带处理单元生成一个叠加信号，该信号通过两个LED同时传输，这两个LED的传输特性略有不同。结果与讨论表明，本节中呈现的数值结果主要展示了性能的上限趋势，而非一般的操作限制。还需注意到，LED的带宽限制会制约FTN的加速效果。具体来说，对于较高的加速因子（较小的值），更窄的LED带宽会加剧符号间干扰，从而降低可实现的频谱压缩效率，并限制预期的吞吐量提升。因此，基于FTN的C-NOMA合作方案的性能应该会有所改善。本文全面分析了FTN信号在C-NOMA系统中的性能，特别采用了VLC信道。通过比较FTN-NOMA、Nyquist NOMA、FTN C-NOMA和Nyquist C-NOMA的性能，发现FTN C-NOMA在性能指标（包括可实现速率、误比特率、OP、SE和能效）上取得了显著提升。通过在发射端使用角度多样性、在接收端使用多径复用（MRC）以及信号检测中的空时干扰消除（SIC）技术，系统性能得到了改善，其中MRC技术对性能的提升尤为显著。作者声明：他们没有已知的财务利益冲突或个人关系可能影响本文的报告内容。
Ramya | S. Anuradha
NITW，印度Hanamkonda