CN105337651A - 一种有限反馈下非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法 - Google Patents

Abstract

一种有限反馈下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M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，并将其信道矢量量化为信道方向信息CDI和信道质量信息CQI，然后通过有限速率信道反馈给基站。基站根据用户反馈的CDI与CQI，从K个候选用户中调度2M个用户进行下行链路的传输，其中该2M个用户，每两个组成一个用户簇，共组成M个用户簇，在本系统中我们采用M个波束成形矢量来传输M个用户簇且每个簇分配等功率P，其中每个波束矢量支持一个用户簇，每个簇内有两个非正交用户，每个用户通过功率分配算法进行簇内的功率分配。本发明使系统的总体吞吐量较传统的正交传输有显著的优势。

Description

一种有限反馈下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，具体涉及一种有限反馈下非正交多址接入系统下行链路的用户选择方法。

背景技术：

随着互联网+、物联网、工业信息化浪潮的推动，未来移动和无线流量的需求将大幅增加。因此，5G的目标也是向移动用户提供大容量、高速、高功效的数据服务。为了充分利用无线资源，人们已经在频率维度、空间维度、时间维度、编码维度等方面进行了探索，提出了相应的OFDM、MIMO、TDMA、CDMA等技术，并且已经成功应用于现有的移动通信系统中。除了开拓新的传输频段，例如700MHz，人们也希望提出新的无线资源利用方式进一步提高传输效率，从而容纳更多的用户和提供更高的数据速率。

近来，一种新型的接入方式——非正交多址接入(NOMA)技术被当做5G的候选技术提了出来。非正交多址接入技术的核心思想在发送端将多路信号进行非正交叠加发送，然后在接收端采用串行干扰删除(SIC)接收机实现相应数据解调。NOMA技术在发送端基站将不同用户采用功率复用技术进行叠加发送，且不同用户的信号功率可按照相关的功率分配方案进行分配，从而获取系统最大的性能增益，同时达到在功率域区分用户的目的；在接收端，SIC接收机根据不同用户信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调。这样在一个信道内多个用户的非正交传输既提高频谱的效率也达到了多个用户同时接入的目的，此外还可以将OFDM、CDMA等技术与NOMA相结合，实现更高的效率和速率。虽然非正交传输的思想是由来已久，但是NTTDOCOMO公司最早建议将NOMA作为5G标准的空中接口技术，并通过系统级仿真和实际测试验证了NOMA技术相对于常规正交接入技术可以获得20％以上的系统吞吐量增益。尽管5G的具体标准目前还没制定，但是从目前的一些研究来看，NOMA技术既能提高无线资源的利用率和传输效率，又能为异构用户提供同时接入服务，因此NOMA技术很可能被作为新的多址接入技术纳入5G规范中。

目前所收集到的公开资料中，均假设基站或者发送端已知完美的用户信道信息，并基于此假设验证了NOMA技术可以获得高于传统正交接入技术的系统吞吐量。然而，现实系统中，信道信息估计本身就存在错误，并且发送端要想获取信道信息则需要接收端通过有限容量的反馈信道进行量化信道信息的反馈。

发明内容：

本发明的目的是研究NOMA技术在有限反馈下的性能，提供了一种有限反馈下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系统在有限反馈下总体吞吐量较之于传统技术有所提高。

为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种有限反馈下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)小区内K个单天线用户通过基站广播的导频信号获取其自身的信道状态信息CSI，并通过有限反馈信道将其量化之后的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI反馈给基站，所述基站部署M个天线，M＞1，K≥2M；

2)基站根据接收到的反馈信息，从所述K个单天线用户中选出2M个用户进行传输，其中基站首先根据候选用户所反馈的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI调度M个RBF用户以及与之对应的M个波束成形矢量，然后再为M个RBF用户各自匹配一个用户，这样，2M用户组成M个用户簇，每个波束矢量对应相应的用户簇进行传输；

3)基站为M个用户簇分配相同的功率P，每个用户簇内RBF用户和匹配用户根据功率分配算法完成功率分配。

本发明进一步的改进在于：所述步骤1)具体包括以下步骤：

基站端和用户端共同维护着一个量化码本F，其中量化码本F由L个子码本组成，每个子码本由M个相互正交的1×M维单位标准矢量组成；量化码本F大小为N＝LM；小区内K个用户的信道方向信息由F码本中的矢量进行量化，即对于第i个用户的信道方向信息的量化矢量信息CDI，为用户信道信息为1×M维的矢量，由以下准则获得：

定义信道方向矢量与其量化矢量之间的夹角为θ_i，即对于K个候选用户中第i个用户，其信道质量信息CQI表达式为：

$g\left(h_i\right)=\frac{\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\cos }^2{\mathrm{\θ}}_i}{1+\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\sin }^2{\mathrm{\θ}}_i}$

本发明进一步的改进在于：所述步骤2)具体包括以下步骤：

设K个候选用户的下标集为M个RBF用户下标集为M个匹配用户下标集为首先基站依据用户据反馈的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI，选择最优的RBF用户集以及对应的波束成形矢量w_k，1＜k＜M如下：

对于第l，1≤l≥L个码本中的第k，1≤k≥M个矢量v_k，在以最大化系统吞吐量为目标情况下，给出v_k所对应的CQI最大的用户

因此最优的传输波束组l^*为：

$l^{*}=\arg \underset{1\≤l\≥L}{\max }\underset{1\≤k\≥M}{\mathrm{\Σ}}g\left(h_{u\left(v_k^{\left(l\right)}\right)}\right)$

即第k个簇对应的波束矢量为且所对应的用户为即为所选择第k个簇内的RBF用户，其中然后再依据每个波束矢量给出第k个簇内匹配用户为

其中，

本发明进一步的改进在于：所述步骤3)具体包括以下步骤：

为保证用户的服务质量，RBF用户的最低速率要求为R_bf，匹配用户的最低速率为R_um；设第k个簇内，表示RBF用户的估计速率，表示匹配用户的估计速率，α_k为RBF用户的功率分配系数，1-α_k为匹配用户的功率分配系数，g(h_k1)和g(h_k2)分别为该簇内RBF用户与匹配用户的信道质量信息，则第k个簇内的功率分配优化目标设置为：

$\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{\max }({\hat{R}}_{k1}+{\hat{R}}_{k2})\\ s.t.{\hat{R}}_{k1}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{bf}},{\hat{R}}_{k2}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{um}},0<{\mathrm{\&alpha;}}_k<1\end{array}$

当g(h_k1)≥g(h_k2)时，

${\hat{R}}_{k1}=\log (1+{\mathrm{\&alpha;}}_{k}g\left(h_{k1}\right))$

${\hat{R}}_{k2}=\log (1+\frac{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k}{{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k2}\right)})$

故解得上述优化目标为：

当g(h_k1)＜g(h_k2)时，

${\hat{R}}_{k1}=\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k1}\right)})$

${\hat{R}}_{k2}=\log (1+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_k)g\left(h_{k2}\right))$

故解得上述优化目标为：

若上述优化目标α_k无解，则基站使用传统正交接入方式传输，即分为两个时隙来传输2M个用户。

相对于现有正交传输技术，本发明具有如下有益效果：

本发明所述有限反馈下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TDMA技术，系统的总体吞吐量有显著的优势，本发明具体采用用户选择方案和功率分配方案实现：

1)用户选择方案

基站根据接收到的反馈信息，从所述K个单天线用户中选出2M个用户进行传输，其中基站首先根据候选用户所反馈的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI调度M个RBF用户以及与之对应的M个波束成形矢量，然后再为M个RBF用户各自匹配一个用户，这样，2M用户组成M个用户簇，每个波束矢量对应相应的用户簇进行传输；

2)功率分配方案

基站调度完用户集之后，需要为每个簇内的两个用户分配功率，为了保证所有用户的服务质量，我们给出了以最大化每个簇用户速率为目标的优化方案，通过求解我们得到了功率分配系数的闭式解，由此证明了存在最优的解可以保证每个用户的服务需求，同时也达到了最大化系统容量的目标。

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,图4，图5为本发明的仿真结果，NOMA-RBF-UMPS表示本发明所提算法所调度用户的和容量，TDMA-RBF-UM表示本发明所提用户调度算法下传统波束成形技术的和容量。其中图3、图4、图5分别表示系统总吞吐量、匹配用户的和容量以及RBF用户的和容量VS小区内候选用户K。

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所示，本发明所述有限反馈下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)小区内K个单天线用户通过基站广播的导频信号获取其自身的信道状态信息CSI，并通过有限反馈信道将其量化之后的CDI以及CQI反馈给基站，所述基站部署M个天线，M＞1，K＞2M；

2)基站根据接收到的反馈信息，从所述K个单天线用户中选出2M个用户进行传输，其中基站首先根据候选用户所反馈的CQI与CDI调度M个RBF用户以及与之对应的M个波束成形矢量，然后再为M个RBF(RandomBeamforming)用户各自匹配一个用户(我们称之为匹配用户)，这样，2M用户组成M个用户簇，每个波束矢量对应相应的用户簇进行传输；

3)基站为M个簇分配相同的功率P，每个簇内RBF用户和匹配用户根据一定算法进行分配功率P；

所述步骤1)具体包括以下步骤：

基站端和用户端共同维护着一个量化码本F。其中F由L个子码本组成，每个子码本由M个相互正交的1×M维单位标准矢量组成。码本大小为N＝LM。小区内K个用户的信道方向信息由F码本中的矢量进行量化，即对于第i个用户的信道方向信息的量化矢量信息(即CDI)(这里用户信道信息为1×M维的矢量)由以下准则获得：

我们定义信道方向矢量与其量化矢量之间的夹角为θ_i，即对于K个候选用户中第i个用户，其信道质量信息CQI表达式为：

$g\left(h_i\right)=\frac{\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_i}{1+\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_i}$

所述步骤2)具体包括以下步骤：

我们设K个候选用户的下标集为M个RBF用户下标集为M个匹配用户下标集为首先基站依据用户据反馈的CDI与CQI，选择最优的RBF用户集以及对应的波束成形矢量w_k，1＜k＜M(这里波束矢量为M×1维的矢量)如下：

对于第l，1≤l≥L个码本中的第k，1≤k≥M个矢量v_k，在以最大化系统吞吐量为目标情况下，我们给出v_k所对应的CQI最大的用户

因此最优的传输波束组l^*为：

$l^{*}=\arg \underset{1\&le;l\&GreaterEqual;L}{\max }\underset{1\&le;k\&GreaterEqual;M}{\mathrm{\&Sigma;}}g\left(h_{u\left(v_k^{\left(l\right)}\right)}\right)$

即第k个簇对应的波束矢量为且所对应的用户为即为所选择第k个簇内的RBF用户，其中然后再依据每个波束矢量给出第k个簇内匹配用户为

其中

所述步骤3)具体包括以下步骤：

为保证用户的服务质量，RBF用户的最低速率要求为R_bf，匹配用户的最低速率为R_um。我们设第k个簇内，表示RBF用户的估计速率，表示匹配用户的估计速率，α_k为RBF用户的功率分配系数，1-α_k为匹配用户的功率分配系数，则第k个簇内的功率分配优化目标设置为：

$\begin{array}{c}\underset{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{\max }({\hat{R}}_{k1}+{\hat{R}}_{k2})\\ s.t.{\hat{R}}_{k1}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{bf}},{\hat{R}}_{k2}\&GreaterEqual;R_{\mathrm{um}},0<{\mathrm{\&alpha;}}_k<1\end{array}$

当g(h_k1)≥g(hk₂)时，

${\hat{R}}_{k1}=\log (1+{\mathrm{\&alpha;}}_{k}g\left(h_{k1}\right))$

${\hat{R}}_{k2}=\log (1+\frac{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k}{{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k2}\right)})$

故解得上述优化目标为：

当g(h_k1)＜g(h_k2)时，

${\hat{R}}_{k1}=\log (1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k1}\right)})$

${\hat{R}}_{k2}=\log (1+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_k)g\left(h_{k2}\right))$

故解得上述优化目标为：

若上述优化目标α_k无解，则基站可使用传统正交接入方式传输，即分为两个时隙来传输2M个用户。

仿真实验和效果分析

仿真模型参数为：基站天线个数M＝2，系统总的发射功率为30dB，R_bf＝3.5bps/Hz，R_um＝2.5bps/Hz，码本矢量个数N＝LM＝8*2＝16，每个用户量化比特B＝4bits，本发明假设基站可以获得完美的CQI(用户的CQI没有进行量化)。

仿真结果分析，通过图3、图4、图5可以看出，较之于传统TDMA的波束成形系统，NOMA-RBF系统在本发明的调度算法下，系统和容量、匹配用户和容量以及RBF用户和容量都有所提高，且匹配用户与RBF用户的速率基本都满足限制速率。

因此综上可知，本发明提出的有限反馈下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。

Claims (4)

1.一种有限反馈下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其自身的信道状态信息CSI，并通过有限反馈信道将其量化之后的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI反馈给基站，所述基站部署M个天线，M＞1，k≥2M；

2)基站根据接收到的反馈信息，从所述K个单天线用户中选出2M个用户进行传输，其中基站首先根据候选用户所反馈的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI调度M个RBF用户以及与之对应的M个波束成形矢量，然后再为M个RBF用户各自匹配一个用户，这样，2M用户组成M个用户簇，每个波束矢量对应相应的用户簇进行传输；

3)基站为M个用户簇分配相同的功率P，每个用户簇内RBF用户和匹配用户根据功率分配算法完成功率分配。

2.根据权利要求1所述的一种有限反馈下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1)具体包括以下步骤：

基站端和用户端共同维护着一个量化码本F，其中量化码本F由L个子码本组成，每个子码本由M个相互正交的1×M维单位标准矢量组成；量化码本F大小为N＝LM；小区内K个用户的信道方向信息由F码本中的矢量进行量化，即对于第i个用户的信道方向信息的量化矢量信息CDI，为用户信道信息为1×M维的矢量，由以下准则获得：

定义信道方向矢量与其量化矢量之间的夹角为θ_i，即对于K个候选用户中第i个用户，其信道质量信息CQI表达式为：

$g\left(h_i\right)=\frac{\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\cos }^2{\mathrm{\&theta;}}_i}{1+\frac{P}{M}\left|\right|h_i|{|}^2{\sin }^2{\mathrm{\&theta;}}_i}$

3.根据权利要求2所述一种有限反馈下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2)具体包括以下步骤：

设K个候选用户的下标集为M个RBF用户下标集为M个匹配用户下标集为首先基站依据用户据反馈的信道方向信息CDI以及信道质量信息CQI，选择最优的RBF用户集以及对应的波束成形矢量w_k，1＜k＜M如下：

对于第l，1≤l≥L个码本中的第k，1≤k≥M个矢量v_k，在以最大化系统吞吐量为目标情况下，给出v_k所对应的CQI最大的用户

因此最优的传输波束组l^*为：

$l^{*}=\arg \underset{1\&le;l\&GreaterEqual;L}{max}\underset{1\&le;k\&GreaterEqual;M}{\&Sigma;}g\left(h_{u\left(v_k^{\left(l\right)}\right)}\right)$

即第k个簇对应的波束矢量为且所对应的用户为即为所选择第k个簇内的RBF用户，其中然后再依据每个波束矢量给出第k个簇内匹配用户为

其中，

4.根据权利要求3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3)具体包括以下步骤：

为保证用户的服务质量，RBF用户的最低速率要求为R_bf，匹配用户的最低速率为R_um；设第k个簇内，表示RBF用户的估计速率，表示匹配用户的估计速率，α_k为RBF用户的功率分配系数，1-α_k为匹配用户的功率分配系数，g(h_k1)和g(h_k2)分别为该簇内RBF用户与匹配用户的信道质量信息，则第k个簇内的功率分配优化目标设置为：

$\begin{array}{cc}\underset{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{max}& ({\hat{R}}_{k1}+{\hat{R}}_{k2})\\ s.t.& {\hat{R}}_{k1}\&GreaterEqual;R_{bf},{\hat{R}}_{k2}\&GreaterEqual;R_{um},0<{\mathrm{\&alpha;}}_k<1\end{array}$

当g(h_k1)≥g(h_k2)时，

${\hat{R}}_{k1}=log(1+{\mathrm{\&alpha;}}_{k}g(h_{k1}\left)\right)$

${\hat{R}}_{k2}=log(1+\frac{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k}{{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k2}\right)})$

故解得上述优化目标为： ${\mathrm{\&alpha;}}_k=\frac{1-(2^{R_{um}}-1)/g\left(h_{k2}\right)}{2^{R_{um}}}$

当g(h_k1)＜g(h_k2)时，

${\hat{R}}_{k1}=log(1+\frac{{\mathrm{\&alpha;}}_k}{1-{\mathrm{\&alpha;}}_k+1/g\left(h_{k1}\right)})$

${\hat{R}}_{k2}=log(1+(1-{\mathrm{\&alpha;}}_k\left)g\right(h_{k2}\left)\right)$

故解得上述优化目标为：

若上述优化目标α_k无解，则基站使用传统正交接入方式传输，即分为两个时隙来传输2M个用户。