CN104539411A - 一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法：基站端部署N个天线，小区内分布K个单天线用户，接收端所有用户通过发射端广播的导频信号获取其信道状态信息，并将其反馈给发射端。发射端根据用户反馈的信道状态信息，从中挑选出N个信道半正交的用户，发射端根据用户反馈的信道状态信息，为被选中的N个信道半正交用户各自匹配一个用户，使得每个波束权矢量同时传输两个用户。最后发射端对2N个用户进行发射功率的分配。本发明使系统的总体吞吐量以及匹配用户的吞吐量都有所提高，并且可以使得匹配用户保持有稳定的吞吐量，较之于现有的算法有显著的优势。

Description

一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法

技术领域

本发明涉及5G移动通信技术领域中的非正交多址接入技术，具体涉及一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法。

背景技术

在过去20年中，随着移动通信技术飞速发展，技术标准不断演进，第四代移动通信技术(4G)以OFDMA技术为基础，其数据业务传输速率达到每秒百兆甚至千兆比特，能够在较大程度上满足今后一段时期内宽带移动通信应用需求。然而，IMT-2020(5G)推进组《5G愿景与需求白皮书》中提出，5G定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，其中频谱效率相比4G需要提升5～15倍。因此面向5G频谱效率提升5～15倍的需求，业内提出采用新型多址接入复用方式，即非正交多址接入(NOMA)。

在正交多址技术中，只能为一个用户分配单一的无线资源，例如按频率分割或按时间分割，而NOMA方式可将一个资源分配给多个用户。NOMA的本质其实是人为引入可控制的干扰，再通过接收机来做消除。目前，NOMA与波束成形结合(NOMA-BF)的技术已得到研究，而且较之于传统的波束成形系统(TDMA-BF)，系统吞吐量达到一定程度的提高，但是NOMA-BF系统中匹配用户的吞吐量呈下降趋势。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术中的缺陷，提供一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法。该选择方法可以使得匹配用户的吞吐量得以提高并保持稳定的吞吐量，且总体系统吞吐量较现有技术有所提高。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

1)小区内K个单天线用户通过基站广播的导频信号获取自身的信道状态信息，并将信道状态信息反馈给基站，所述基站部署N个天线，N>1，K≥2N；

2)基站根据所述信道状态信息从所述K个单天线用户中挑选出N个信道半正交的用户，并根据所述N个信道半正交的用户的信道方向信息生成N个迫零波束权矢量；

3)基站根据所述信道状态信息从小区剩余的K-N个单天线用户中为所述N个信道半正交的用户各自匹配一个非正交用户，并令每个迫零波束权矢量同时传输两个相匹配的非正交用户，则N个迫零波束权矢量同时传输2N个用户；

4)基站在系统和容量最大的目标下对所述2N个用户进行发射功率的分配。

对于用户y_k,1，y_k,1∈O,k＝1,2,3...,N，O表示所述N个信道半正交的用户的集合，通过求解以下优化问题得到用户y_k,1的匹配用户y_k,2：

$y_{k,2}=\underset{j}{\arg }\underset{j\∈U}{\min }\frac{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j{w}_i\right|}^2}{{\left|h_j{w}_k\right|}^2}$

其中，w_k表示第k个迫零波束权矢量，h_j表示用户j的信道增益，U表示小区剩余的K-N个单天线用户的集合，y_k,2∈U,k＝1,2,3...,N。

所述步骤4)具体包括以下步骤：

令 $a=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,1}{w}_k\right|}^2,b=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{k,2}{w}_i\right|}^2/{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2$ w_k表示第k个迫零波束权矢量，ρ为传输信噪比，P为波束的发射功率，为引入的加性高斯白噪声的功率，h_k,2表示用户y_k,2的信道增益，h_k,1表示用户y_k,1的信道增益；y_k,1∈O,k＝1,2,3...,N，O表示所述N个信道半正交的用户的集合，y_k,2∈U,k＝1,2,3...,N，U表示小区剩余的K-N个单天线用户的集合；

当a≤b时，则功率分配的优化目标为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }& R_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)\end{array}$

α_k表示功率分配系数,k＝1,2,3...,N，R_sumk为第k个迫零波束权矢量所对应两个非正交用户的和容量，通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=\frac{1+b}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2}}-b$

当a>b时，则功率分配的优化目标为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }& R_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)\end{array}$

通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=(1+a)(1-\frac{1}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2}})$

则用户y_k,1分配的发射功率为α^*P，用户y_k,2分配的发射功率为(1-α^*)P。

相对于现有技术，本发明具有如下有益效果：

本发明所述非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法，较之于现有的用户选择算法，系统的总体吞吐量以及匹配用户的吞吐量都有所提高，并且该选择方法可以使得匹配用户保持有稳定的吞吐量，较之于现有的算法有显著的优势。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为本发明的系统模型。

图3为系统和容量的仿真结果；

图4为匹配用户和容量的仿真结果；

图中：NOMA-ZFBF表示本发明系统，NOMA-BF表示现有系统，TDMA-ZFBF与TDMA-BF表示分别在上述两种系统中用户调度算法下的传统波束成形系统。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、图2所示，本发明所述非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法，包括以下步骤：

1)基站部署N个天线，小区内分布K个单天线用户(K≥2N，N>1)，接收端所有用户通过发射端(即基站)广播的导频信号获取其信道状态信息，并将信道状态信息反馈给发射端。

2)发射端根据用户反馈的信道状态信息，从中挑选出N个信道半正交的用户，迫零波束成形预编码矩阵由这N个信道半正交的用户的信道方向信息产生。

3)发射端根据用户反馈的信道状态信息，为被选中的N个信道半正交用户各自匹配一个用户，使得每个迫零波束权矢量同时传输两个非正交用户，这样N个迫零波束权矢量可同时支持2N个用户。

4)发射端对2N个用户进行发射功率的分配。

上述步骤2)中，发射端根据反馈的信道状态信息挑选出N个信道半正交的用户，并求出该N个信道半正交的用户的迫零波束成形预编码矩阵，具体包括以下步骤(这里为简单，以2个天线为例，即N＝2)：

1)发射端根据反馈的信道状态信息计算出K个单天线用户的信道增益h_k，从中选出信道增益最大的用户，记为：index，这里index∈S，S＝{1,",K}。

2)选出与index半正交的用户，即：计算H表示矩阵的共轭转置，k∈S，所以其中index1∈S。如此，即可得到两个半正交的用户信道增益h_index与h_index1，因此迫零波束成形预编码矩阵其中 ${\tilde{h}}_{\mathrm{index}}=\frac{h_{\mathrm{index}}}{\left|h_{\mathrm{index}}\right|},{\tilde{h}}_{\mathrm{index}1}=\frac{h_{\mathrm{index}1}}{\left|h_{\mathrm{index}1}\right|},$ h_index与h_index1为1×4矩阵，w₁与w₂为4×1矩阵，表示矩阵的伪逆，T表示矩阵的转置。

上述步骤3)中，发射端根据反馈的用户信道状态信息，给被选中的N个信道半正交用户各自匹配一个非正交用户，匹配算法包括以下步骤：

1)若N个波束的发射功率均为P，是引入的加性高斯白噪声的功率，令传输信噪比设第k个迫零波束权矢量所对应的匹配用户(即y_k,2，y_k,2∈U,k＝1,2,3...,N，U表示小区剩余的K-N个单天线用户的集合)的容量表示为R_k,2，由于同波束内两个用户的信号均由同一迫零波束权矢量传输，因此两用户的信号在接收端彼此干扰，在本发明中接收端用串行干扰抵消(SIC)的方法进行检测，因此由于SIC检测顺序的不同，R_k,2有两种不同的容量：

a)当用户y_k,1端用SIC检测时，y_k,1∈O,k＝1,2,3...,N，O表示所述N个信道半正交的

用户的集合：

$R_{k,2}=\log (1+\frac{(1-{\mathrm{\α}}_k)P{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2+{\mathrm{\α}}_{k}P{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2+P\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{k,2}{w}_i\right|}^2}),$ 其中α_k表示第k个迫零波束权矢量所对应的原用户(即y_k,1)的功率分配系数，1-α_k为匹配用户(即y_k,2)的功率分配系数，h_k,2表示用户y_k,2的信道增益，h_k,1表示用户y_k,1的信道增益，w_k表示第k个迫零波束权矢量。因此最优的匹配用户信道增益h_k,2使得匹配用户的容量R_k,2达到最大，即：

优化目标为： $\begin{array}{ccc}\underset{j\∈U}{\max }& R_{k,2}=\underset{j\∈U}{\max }& \log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{1/\mathrm{\ρ}{\left|h_j{w}_k\right|}^2+{\mathrm{\α}}_k+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j{w}_i\right|}^2/{\left|h_j{w}_k\right|}^2})\end{array}$

在高传输信噪比下，上式等价为

b)当用户y_k,2端用SIC检测时

因此最优的匹配用户信道增益h_k,2使得匹配用户的容量R_k,2达到最大，即：

优化目标为： $\begin{array}{ccc}\underset{j\∈U}{\max }& R_{k,2}=\underset{j\∈U}{\max }& \log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{1/\mathrm{\ρ}{\left|h_j{w}_k\right|}^2+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j{w}_i\right|}^2/{\left|h_j{w}_k\right|}^2})\end{array}$

在高传输信噪比下，上式等价为

2)根据上述步骤a)、b)可得，第k个波束的匹配用户通过表达式来搜索。

上述步骤4)中，发射端对2N个用户进行发射功率分配的方案如下：

1)SIC检测顺序的判断

设R_k,i→j(i≠j,i,j∈{1,2})表示第k个迫零波束权矢量所对应的用户y_k,i检测用户y_k,j的容量，R_k,j表示用户y_k,j的容量，通过比较R_k,i→j与R_k,j的大小判断检测顺序。

2)令 $a=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,1}{w}_k\right|}^2,b=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{k,2}{w}_i\right|}^2/{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2$

当a≤b时，R_k,1→2>R_k,2，因此在用户y_k,1端用SIC检测，R_sumk为第k个迫零波束权矢量所对应两个非正交用户的和容量，功率分配优化目标为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }& R_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)\end{array}$

通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=\frac{1+b}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2}}-b$

当a>b时，R_k,2→1>R_k,1，因此在用户y_k,2端用SIC检测，功率分配优化目标为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }& R_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\}\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)\end{array}$

通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=(1+a)(1-\frac{1}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2}}).$

仿真实验和结果分析

仿真模型参数为：基站天线个数N＝2，N个波束的传输信噪比均为ρ＝20。

仿真结果分析，通过图3、图4可以看出，较之于现有的用户选择方法，系统的总体吞吐量以及匹配用户的吞吐量都有所提高，并且本发明选择方法可以使得匹配用户保持有稳定的吞吐量，而现有的选择方法的匹配用户的吞吐量随着用户的增加呈现下降的趋势，较之于传统的波束成形系统，本发明的选择算法所得出的系统和容量有所提高。

因此综上可知，本发明提出的非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法较之现有的技术性能有显著的提升。值得提出，通过仿真结果可得在低传输信噪比下本发明所提算法性能仍可优于现有算法的性能。

Claims (3)

1.一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)小区内K个单天线用户通过基站广播的导频信号获取自身的信道状态信息，并将信道状态信息反馈给基站，所述基站部署N个天线，N>1，K≥2N；

2)基站根据所述信道状态信息从所述K个单天线用户中挑选出N个信道半正交的用户，并根据所述N个信道半正交的用户的信道方向信息生成N个迫零波束权矢量；

3)基站根据所述信道状态信息从小区剩余的K-N个单天线用户中为所述N个信道半正交的用户各自匹配一个非正交用户，并令每个迫零波束权矢量同时传输两个相匹配的非正交用户，则N个迫零波束权矢量同时传输2N个用户；

4)基站在系统和容量最大的目标下对所述2N个用户进行发射功率的分配。

2.根据权利要求1所述一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法，其特征在于：

对于用户y_k,1，y_k,1∈O,k＝1,2,3...,N，O表示所述N个信道半正交的用户的集合，通过求解以下优化问题得到用户y_k,1的匹配用户y_k,2：

$y_{k,2}=\underset{j}{\arg }\underset{j\∈U}{\min }\frac{\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_j{w}_i\right|}^2}{{\left|h_j{w}_k\right|}^2}$

其中，w_k表示第k个迫零波束权矢量，h_j表示用户j的信道增益，U表示小区剩余的K-N个单天线用户的集合，y_k,2∈U,k＝1,2,3...,N。

3.根据权利要求1所述一种非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法，其特征在于：所述步骤4)具体包括以下步骤：

令 $a=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,1}{w}_k\right|}^2,b=1/\mathrm{\ρ}{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2+\underset{i=1,i\≠k}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\left|h_{k,2}{w}_i\right|}^2/{\left|h_{k,2}{w}_k\right|}^2,$ w_k表示第k个迫零波束权矢量，ρ为传输信噪比，P为波束的发射功率，为引入的加性高斯白噪声的功率，h_k,2表示用户y_k,2的信道增益，h_k,1表示用户y_k,1的信道增益；y_k,1∈O,k＝1,2,3...,N，O表示所述N个信道半正交的用户的集合，y_k,2∈U,k＝1,2,3...,N，U表示小区剩余的K-N个单天线用户的集合；

当a≤b时，则功率分配的优化目标为：

$\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }{R}_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\}$

$s.t.\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{{\mathrm{\α}}_k+b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)$

α_k表示功率分配系数,k＝1,2,3...,N，R_sumk为第k个迫零波束权矢量所对应两个非正交用户的和容量，通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=\frac{1+b}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2}}-b$

当a>b时，则功率分配的优化目标为：

$\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }{R}_{\mathrm{sumk}}=\underset{{\mathrm{\α}}_k}{\max }\{\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})+\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\}$

$s.t.\log (1+\frac{{\mathrm{\α}}_k}{a+1-{\mathrm{\α}}_k})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2),\log (1+\frac{1-{\mathrm{\α}}_k}{b})\≥\frac{1}{2}\log (1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,2}\left|\right|}^2)$

通过优化解得α_k的最优解α^*：

${\mathrm{\α}}^{*}=(1+a)(1-\frac{1}{\sqrt{1+\mathrm{\ρ}{\left|\right|h_{k,1}\left|\right|}^2}})$

则用户y_k,1分配的发射功率为α^*P，用户y_k,2分配的发射功率为(1-α^*)P。