CN107197496A - 一种保证用户公平性的noma用户动态分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，首先对每个用户的信道状态将它们的信道模值按照降序进行排序，在排序为前的用户中随机选取M个用户分别作为M簇中的主用户；然后依据同一簇中用户的信道状态相差大时有助于接收端识别的特点，将每个与主用户间的信道模值间隔达到Δ的用户分配至该主用户的用户候选集中，作为分为同簇的依据；在已分配用户簇的吞吐量达到所设门限值C_th时，分配用户时从主用户的用户候选集中选择同簇用户，在对性能影响较小的情况下大大缩减了算法计算复杂度；当已分配用户簇的吞吐量低于C_th时，采用穷举搜索的方法，让系统性能更佳。本发明的NOMA用户动态分簇方法，在保障用户公平性的前提下，进一步提高了系统性能并降低了算法运算复杂度。

Description

一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其涉及一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法。

背景技术

在移动通信系统中，多址接入技术是满足多个用户同时进行通信的必要手段和关键技术。纵观历史，每一代移动通信系统的出现都伴随着多址接入技术的革新，而1G到4G系统所采用的多址接入技术都是正交的多址技术，4G(第四代移动通信技术)以OFDMA(正交频分多址接入技术)为基础，它具有频谱效率高、带宽扩展性强、抗多径衰落、抗码间干扰能力强等优点，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的宽带移动通信应用需求。但随着智能终端普及，应用和移动新业务的需求持续增长，无线传输速率需求呈指数增长，无线通信的传输速率将难以满足未来移动通信的应用需求，频谱资源也变得越来越紧张，高频段频谱资源未得到开发。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，即非正交多址技术。

NOMA(非正交多址接入)技术是5G非正交多址接入候选技术中最有潜力的竞争者之一，它引入了功率域的应用。NOMA技术在同一个子载波、同一个OFDM符号对应的同一个时频块上，给多个用户分配不同的功率因子并进行线性叠加，通过在接收端采用SIC(串行干扰消除)接收机实现多用户检测，就能区分出不同的用户，从而达到多用户共享同一时频资源块的目的。由于系统在频域和时域上仍然保持各子载波正交和每个OFDM符号前CP(循环前缀)，NOMA技术的基础仍是成熟的OFDM技术，这也让它的实现难度相对较小。SIC技术的基本思想是采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰，而判决的依据就是用户信号功率大小。基站在发送端会对不同的用户分配不同的信号功率，来获取系统最大的性能增益，同时达到区分用户的目的，这就是功率复用技术。在这样的多用户调度过程中，就需要考虑子载波上的用户分簇过程。

回顾经典的用户配对算法，目前已有的方案包括随机用户配对算法(RandomPairing Algorithm，RPA)、行列式用户配对算法(Determinant Pairing Algorithm，DPA)和分组随机配对调度(Group Random Pairing Schedule，GRPS)。其中，RPA算法是最简单的算法，基站在候选用户集中随机选择两个用户进行配对，在相同的子载波上采用叠加编码将配对用户信息编码后进行发送，主要利用参量用户约定信息速率(CommittedInformation Rate，CIR)来选择用户，其本质是根据用户业务所需的带宽，每个子频带选择适合大小的用户。虽然RPA算法最为简单，但是无法利用配对用户之间的信道条件，因此系统性能较差。DPA算法利用了正交性的原理，它首先根据调度选择首用户，然后根据不同用户小尺度衰落情况选择信道正交性最好的两个用户进行空分复用，但由于只参考用户小尺度衰落的信息，配对的用户可能同处于小区边缘，这样会对系统的总吞吐量造成很大的损失。GRPS算法首先根据用户的长期平均信干噪比(SINR)将用户分为2组，1组用户为信号较强的用户集合，另一组用户为信号较弱的用户集合，随后调度机从这2组用户中各随机挑选1个用户进行配对，随机挑选没有利用用户的信道信息，也无法获得更高的系统吞吐量。可见上述的三种算法都无法兼顾用户公平性和系统性能这两点，由此可见用户分簇方案的重要性。不同的分簇方案会产生不同的效果，若采用了不合理的分簇方式，可能就无法展现NOMA的优势甚至让系统性能变得不如从前；而若采用了合理的用户分簇方式，就可能达到预期的效果。而理论上说，每个子载波上用户信道状况差异越大，其配对的效果也就越好。

在NOMA系统的配对算法中，若追求的优化目标不同，那么也相应的需指定不同的用户分簇算法。从理论上来讲，在列出目标函数式之后，若采用穷举遍历的方法就能找到最优解，但这个过程的复杂度太高、计算时间太长，不适合用于实际系统中，因此就需要针对优化目标进行合理的用户分簇方案设计。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题，特别创新地提出了一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法。

为了实现本发明的上述目的，本发明的一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，包括以下步骤：

S1：选定每一簇的主用户及与其同时传输的用户候选集，包括：

S1-1：确定总用户集U＝{1，…，i，…，j…，K}，计算候选用户集U中的用户信道模值，将用户信道模值按照降序进行排序；

S1-2：从排序在前的用户中随机选取M个用户，将它们分别分配于M簇中作为这M簇中的主用户；

S1-3：设置信道模值门限间隔值为Δ，对步骤S1-2中选取出的M个主用户，将与它们信道模值的间隔值不小于Δ的用户放在它们各自相对应的用户候选集中，第m簇中主用户的用户候选集被记为u_m(1≤m≤M)，所有用户候选集的集合为

S2：给第m簇分配用户，1≤m≤M，包括：

S2-1：将每一簇的用户数L_m按照升序排列，初始化m＝0，设置一个吞吐量阈值C_th；

S2-2：更新m＝m+1，设第m簇的第1个主用户的用户候选集u₁＝u_m，设第m簇中已分配的用户数为q，初始化q＝1，1≤q≤L_m；

S2-3：判断u_m是否为空集，若u_m≠φ，跳至步骤S2-4，若u_m＝φ，跳至步骤S2-5；

S2-4：第m簇中已有一个主用户，在该主用户的用户候选集u_m中随机选取用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-5：在u₁中选取和主用户信道模值间隔最大的用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-6：标记用户i为第m簇新的主用户，在集合u₁中剔除用户i，在更新后的u₁中找出用户i的用户候选集作为新的u_m，更新q＝q+1，若q≠L_m，跳至步骤S2-3，否则跳至步骤S2-7；

S2-7：更新未分配簇的主用户的用户候选集，从u_m+1～u_M中剔除已被分配至第m簇中的用户；

S2-8：计算第m簇用户的总吞吐量C_m，其中若C_m≥C_th则跳至步骤S2-2，若C_m<C_th则跳至步骤S3；

S3：在剩余的簇中对还未分配的用户进行穷举搜索，记录用户分簇组合方式。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、保证了用户公平性。用户公平性体现在让传输过程中信噪比最低的用户的吞吐量尽可能的大，本发明就以此作为优化目标，且算法流程中采用的分组的方法也能让每一个用户都被分配在某一个或多个候选集中，确保了用户被服务机会的公平性，这样从机会和质量两方面保障了用户公平性。

2、运算复杂度低。算法通过利用排序法和以信道状态信息差为依据的分组法，在对系统性能影响较低的情况下，大大降低了计算中原本需要遍历的组合数，减少了运算复杂度，缩短了一次分簇的时间。

3、符合实际应用需求。实际应用中，通信系统既要保证用户的公平性，还要能够根据实际情况进行实时动态的更新，本发明同时考虑了这两点，通过根据不同应用场景设置不同的动态簇更新时间，能够使系统得到更好的性能。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是典型的NOMA系统的模型示意图；

图2是SIC接收机的工作原理图；

图3是本发明用户分簇方法的一种具体实施方式流程图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，除非另有规定和限定，需要说明的是，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是机械连接或电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

图1是本发明所应用的NOMA系统的用户资源分配示意图。如图1所示，用户资源的分配在一个三维坐标图中，三个坐标轴分别代表时间、频率和功率，在同一个时频资源块上有多个用户叠加，相互叠加的用户拥有不同的功率，其中的时频资源块的分配配置完全和OFDM相同。

考虑一个MIMO-NOMA下行链路通信场景，假设每个基站装有M根天线，每个用户装有N根天线，场景中共有K个用户，为了便于NOMA技术在MIMO场景中的实施，本发明考虑将K个用户分为M簇，假设每一簇所包含的用户个数为L_m(m＝1，…，M)，根据NOMA系统的特性设置每一簇中至少有2个用户，合理假设K≥2M，所有簇的用户数集合为L＝{L₁、L₂、…L_M}，L_m≥2且有假设发送端传输的数据为

其中P为预编码矩阵，为M×1维向量如下所示：

其中的第m行为第m簇所发送的信号，α_m,k代表第m簇中第k个用户的功率因子，s_m,k代表第m簇中第k个用户所发送的信号。故接收端所接收到的第m簇中第k个用户信号为

其中，H_m,k代表第m簇中第k个用户的N×M维的信道矩阵，n_m,k为加性高斯白噪声矢量。

在接收端接收信号时，会受到簇间干扰和簇内干扰，这将导致系统性能受到严重的影响，因此，在接收端采用检测矩阵W帮助消除干扰，此时接收端接收到的信号可表示为：

当满足条件W_i,k ^HH_i,kP_m＝0，即

则可消除掉接收信号中的簇间干扰部分。

如图2所示，为SIC接收机的工作原理图，从图中可以看到，SIC接收机采用逐级消除干扰策略，在接收信号中对用户逐个进行判决，进行幅度恢复后，将该用户信号产生的多址干扰从接收信号中减去，并对剩下的用户再次进行判决，如此循环操作，直至消除所有的多址干扰，而判决的依据就是用户信号功率大小。考虑到用户公平性，通常需要先解调信道条件差的用户，即给每一簇中信道条件最差的用户分配最大的功率分配系数α_m,k，将第m簇中的用户按照信道条件排序为

故上式中的用户1分得的功率因子最小，后面的用户随着信道条件变差功率因子逐渐增大，且在接收端进行检测时，将先检测序号大的用户。由此，可得出第m簇中的第k个用户处检测用户j(1≤k≤j≤L_m)的信干噪比

其中W为噪声的信干噪比，特别地，当k＝j＝1时

本发明的优化目标就是最大化信道质量最差用户的吞吐量，即

其中Ω表示所有的用户分簇组合的集合。

图3是本发明用户动态分簇方法的一种具体实施方式流程图，如图3所示，本发明的一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法包括如下步骤：

S1：选定每一簇的主用户及与其同时传输的用户候选集，包括：

S1-1：确定总用户集U＝{1，…，i，…，j…，K}，计算候选用户集U中的用户信道模值，将用户信道模值按照降序进行排序；

S1-2：从排序在前的用户中随机选取M个用户，将它们分别分配于M簇中作为这M簇中的主用户；

S1-3：设置信道模值门限间隔值为Δ，对步骤S1-2中选取出的M个主用户，将与它们信道模值的间隔值不小于Δ的用户放在它们各自相对应的用户候选集中，第m簇中主用户的用户候选集被记为u_m(1≤m≤M)，所有用户候选集的集合为

S2：给第m簇分配用户，1≤m≤M，包括：

S2-1：将每一簇的用户数L_m按照升序排列，初始化m＝0，设置一个吞吐量阈值C_th；

S2-2：更新m＝m+1，设第m簇的第1个主用户的用户候选集u₁＝u_m，设第m簇中已分配的用户数为q，初始化q＝1，1≤q≤L_m；

S2-3：判断u_m是否为空集，若u_m≠φ，跳至步骤S2-4，若u_m＝φ，跳至步骤S2-5；

S2-4：第m簇中已有一个主用户，在该主用户的用户候选集u_m中随机选取用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-5：在u₁中选取和主用户信道模值间隔最大的用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-6：标记用户i为第m簇新的主用户，在集合u₁中剔除用户i，在更新后的u₁中找出用户i的用户候选集作为新的u_m，更新q＝q+1，若q≠L_m，跳至步骤S2-3，否则跳至步骤S2-7；

S2-7：更新未分配簇的主用户的用户候选集，从u_m+1～u_M中剔除已被分配至第m簇中的用户；

S2-8：计算第m簇用户的总吞吐量C_m，其中若C_m≥C_th则跳至步骤S2-2，若C_m<C_th则跳至步骤S3；

S3：在剩余的簇中对还未分配的用户进行穷举搜索，记录用户分簇组合方式。

本发明一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，首先对每个用户的信道状态将它们的信道模值按照降序进行排序，在排序为前的用户中随机选取M个用户分别作为M簇中的主用户，具有合理性；然后依据同一簇中用户的信道状态相差大时有助于接收端识别的特点，将每个与主用户间的信道模值间隔达到Δ的用户分配至该主用户的用户候选集中，作为分为同簇的依据，保障了用户的公平性也使得系统性能更加；在已分配用户簇的吞吐量达到所设门限值C_th时，分配用户时从主用户的用户候选集中选择同簇用户，在对性能影响较小的情况下大大缩减了算法计算复杂度；当已分配用户簇的吞吐量低于C_th时，采用穷举搜索的方法，让系统性能更佳。本发明的NOMA用户动态分簇方法，在保障用户公平性的前提下，进一步提高了系统性能并降低了算法运算复杂度。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (3)

1.一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：根据用户信道状态的不同，将用户进行排序并按一定规则选定每一簇的主用户及与每个主用户所对应的能与其同时传输的用户候选集；

S2：给第m簇分配用户，1≤m≤M，按照每一簇的用户数L_m从小到大的顺序依次分配，直到满足C_m<C_th时停止这样的分配；

S3：在剩余的簇中对还未分配的用户进行穷举搜索，记录用户分簇组合方式。

2.根据权利要求1所述的一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，其特征在于，所述S1包括：

S1-1：确定总用户集U＝{1，…，i，…，j…，K}，计算候选用户集U中的用户信道模值，将用户信道模值按照降序进行排序；

S1-2：从排序在前的用户中随机选取M个用户，将它们分别分配于M簇中作为这M簇中的主用户；

S1-3：设置信道模值门限间隔值为Δ，对步骤S1-2中选取出的M个主用户，将与它们信道模值的间隔值不小于Δ的用户放在它们各自相对应的用户候选集中，第m簇中主用户的用户候选集被记为u_m(1≤m≤M)，所有用户候选集的集合为。

3.根据权利要求1所述的一种保证用户公平性的NOMA用户动态分簇方法，其特征在于，所述S2包括：

S2-1：将L_m按照升序排列，初始化m＝0，设置一个吞吐量阈值C_th；

S2-2：更新m＝m+1，设第m簇的第1个主用户的用户候选集u₁＝u_m，设第m簇中已分配的用户数为q，初始化q＝1，1≤q≤L_m；

S2-3：判断u_m是否为空集，若u_m≠φ，跳至步骤S2-4，若u_m＝φ，跳至步骤S2-5；

S2-4：第m簇中已有一个主用户，在该主用户的用户候选集u_m中随机选取用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-5：在u₁中选取和主用户信道模值间隔最大的用户i分配至第m簇，然后跳至步骤S2-6；

S2-6：标记用户i为第m簇新的主用户，在集合u₁中剔除用户i，在更新后的u₁中找出用户i的用户候选集作为新的u_m，更新q＝q+1，若q≠L_m，跳至步骤S2-3，否则跳至步骤S2-7；

S2-7：更新未分配簇的主用户的用户候选集，从u_m+1～u_M中剔除已被分配至第m簇中的用户；

S2-8：计算第m簇用户的总吞吐量C_m，其中若C_m≥C_th则跳至步骤S2-2，若C_m<C_th则跳至步骤S3。