CN107612669B - 用于非正交多址系统的用户配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于非正交多址系统的用户配对方法，包括以下步骤：步骤1)，建立多用户非正交多址下行链路系统模型；步骤2)，根据多时隙传输中用户平均误码率阈值要求不等式和步骤1)建立的多用户非正交多址下行链路系统模型得出多用户非正交多址下行链路系统模型中用户之间的用户调度判断式；步骤3)，根据步骤2)得到的用户调度判断式判断用户之间能否配对。通过本发明的方法能够实现用户安全通信。

Description

用于非正交多址系统的用户配对方法

技术领域

本发明属于无线物理层安全中下行多用户安全传输领域，具体涉及一种用于非正交多址系统的用户配对方法。

背景技术

随着移动互联网以及物联网的快速发展，当前的蜂窝网络已不足以满足人们日益增长的数据流量需求。为了满足人们日益增长的流量需求，第五代移动通信系统(5G)的研发被提上了日程。面对5G，非正交多址技术，由于在提高频谱效率和迫近多用户网络的信道容量方面都发挥着至关重要的作用，受到研究者越来越多的关注。非正交多址技术的本质是对于用户的发送功率的非正交传输的使用。

不同于传统的正交技术，非正交多址技术的基本思想是在发射端，主动引入干扰，在接收端通过串行干扰消除接收机进行干扰消除，实现用户信息的正确解调。非正交多址技术在时域仍然采用正交多址技术的原理，每个子信道和符号对应的功率不再只分配给一个用户，而是由多个用户共享，但是不同用户的信号功率是非正交的，因而产生共享信道的多址干扰，为了克服干扰，非正交多址技术提出在接收端使用串行干扰消除技术进行干扰检测和消除，以保证系统的正常通信。

在不可信的多用户的通信场景中，采用非正交的接入方式，接收端所采用的串行干扰消除技术的原理与用户不可信在单次传输中将发生冲突。一方面，为了实现串行干扰消除，实现配对的用户必须完全解得其他用户的信息；另一方面，由于用户之间存在信息窃听，不能使得一个用户完全解得另一个用户的信息。为了解决这个问题，亟需一种基于用户平均误码率的用户配对条件，以实现在非正交的多时隙传输中，多用户信息的安全传输。此外，在多用户的非正交多址不可信网络中，还没有人针对这个问题进行详细的研究。

综上所述，在不可信的多用户下行链路中，非正交接入技术中用户的配对问题的研究是很有必要的。

发明内容

为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提出一种用于非正交多址系统的用户配对方法，该方法能够在实现用户安全通信。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现：

用于非正交多址系统的用户配对方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立多用户非正交多址下行链路系统模型；

步骤2)，根据多时隙传输中用户平均误码率阈值要求不等式和步骤1)建立的多用户非正交多址下行链路系统模型得出多用户非正交多址下行链路系统模型中用户之间的用户调度判断式；

步骤3)，根据步骤2)得到的用户调度判断式判断用户之间能否配对。

步骤1)中，多用户非正交多址下行链路系统模型包括1个基站和K个用户；

基站为多天线，用户为单天线；

K个用户中，用户k和用户l是任意两个不相同的用户；

多用户非正交多址下行链路系统模型中，数据传输需要的时隙个数为λ，大尺度衰落的信道路径损耗因子α＝3，小尺度衰落为准静态瑞利衰落。

步骤2)中，截至t时刻时，多时隙传输中用户k在用户l处满足的平均误码率阈值要求不等式为：

用户k在用户l处的和误码率T(k；t)为：

根据式(1)和式(2)，t时刻时，得用户k在用户l处的用户调度判断式为：

式(1)、式(2)和式(3)中：

P_ek→l(t)表示t时刻用户k在用户l处的实际误码率：

SINR_k→l(t)表示t时刻用户l处关于用户k的信干噪比；

表示t时刻用户k在用户l处的误码率阈值；

t＇为时刻变量；

P₀为平均误码率阈值。

步骤3)中，判断用户之间能否配对时，通过如下过程实现：

选择用户k与用户l配对，则t时刻时，判断用户k在用户l处是否满足条件1和条件2，其中，条件1为用户k在用户l处的实际误码率P_ek→l(t)＝0，条件2为通过用户调度判断式判断t时刻用户k在用户l处的误码率阈值满足

如果用户k满足条件1和条件2，且用户k的个数为1时，则用户k与用户l配对，若不满足条件1和条件2，则用户k与用户l不配对；

如果用户k满足条件1和条件2，当用户k的个数为2个以上时，则选择t时刻时，用户k在用户l处误码率阈值最小的用户k与用户l配对。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

本发明的用于非正交多址系统的用户配对方法通过建立多用户非正交多址下行链路系统模型，再根据多时隙传输中用户平均误码率阈值要求不等式和建立的多用户非正交多址下行链路系统模型得出多用户非正交多址下行链路系统模型中用户之间的用户调度判断式；再根据用户调度判断式判断用户之间能否配对；

本发明的配对方法针对用户不可信的场景，提出了完整信息通过多个时隙传输的概念，在多个时隙传输的概念基础上，推导出了每个用户在其他用户处的用户调度判断式，作为保证用户的安全传输约束条件，因此本发明的配对方法能够实现用户安全通信；

通过本发明的配对方法实现用户的配对后，配对的结果能够用于求解和速率最大化问题，能够实现在安全传输的基础上，使系统性能的大大提高的目的。

附图说明

图1是在用户数为K＝3时，采用本发明的配对方法与迫零方案、普通多用户通信场景下的系统和速率性能对比图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述：

本发明提出的用于非正交多址系统的用户配对方法，包括以下步骤：

步骤1)，建立多用户非正交多址下行链路系统模型；

多用户非正交多址下行链路系统模型包括1个基站和K个用户；

基站为多天线，用户为单天线；

K个用户中，用户k和用户l是任意两个不相同的用户；

多用户非正交多址下行链路系统模型中，数据传输需要的时隙个数为λ，大尺度衰落的信道路径损耗因子α＝3，小尺度衰落为准静态瑞利衰落

步骤2)，根据多个时隙信息传输的概念，推导出每个用户的平均误码率表达式：

截至t时刻时，多时隙传输中用户k在用户l处满足的平均误码率阈值要求不等式为：

用户k在用户l处的和误码率T(k；t)为：

根据式(1)和式(2)，t时刻时，得用户k在用户l处的用户调度判断式为：

式(1)、式(2)和式(3)中：

P_ek→l(t)表示t时刻用户k在用户l处的实际误码率：

SINR_k→l(t)表示t时刻用户l处关于用户k的信干噪比；

表示t时刻用户k在用户l处的误码率阈值；

t＇为时刻变量；

P₀为平均误码率阈值；

在以上的表达式中，总时隙λ以及平均误码率阈值P₀是在仿真前假设的已知变量；

步骤3)，根据步骤2)得到的用户调度判断式判断用户之间能否配对，通过如下过程实现：

选择用户k与用户l配对，则t时刻时，判断用户k在用户l处是否满足条件1和条件2，其中，条件1为用户k在用户l处的实际误码率P_ek→l(t)＝0，条件2为通过用户调度判断式判断t时刻用户k在用户l处的误码率阈值满足

如果用户k满足条件1和条件2，且用户k的个数为1时，则用户k与用户l配对，若不满足条件1和条件2，则用户k与用户l不配对；

如果用户k满足条件1和条件2，当用户k的个数为2个以上时，则选择t时刻时，用户k在用户l处误码率阈值最小的用户k与用户l配对。

本发明的用于非正交多址系统的用户配对方法针对用户不可信的场景，提出了完整信息通过多个时隙传输的概念，在此概念基础上，推导出了每个用户在其他用户处的平均误码率高于某个阈值的不等式，作为保证用户的安全传输约束条件，进而将保密和速率的优化问题转换为和速率最大化的问题。

与现有技术相比，本发明中的多用户通信场景中的用户是不可信的，因此，在非正交多址的接入方式中，有窃听与其配对的用户的信息的特性，所以根据完整信息的传输需要多个时隙的概念，使用户在其他用户处的平均误码率高于设定的安全阈值，保证安全传输。其次，本发明根据平均误码率高于设定阈值的不等式推导出了不可信场景中用户调度判断式，利用调度式实现用户配对后，求解和速率最大化问题，真正实现了在安全传输的基础上，系统性能的大大提高。最后，与其他技术方案不同，本发明的配对方案通过基于调度判断式的用户配对的应用，将原始的多用户的安全和速率最大化的问题转化为在安全配对方案下的容易求解的和速率最大化问题，大大地降低了非正交不可信多用户场景中安全和速率最大化问题的求解难度。

下面通过求解和速率最大化问题，验证本发明所述的配对方法的合理性和有效性，并且画出系统和速率的曲线图。

本发明配对方法仿真验证：

首先计算每个用户的可达速率，假设在K个用户中，用户m和用户n配对，用户k为除了用户m和用户n的用户，用户i为K个用户中任意一个用户，在接收端，用户n进行串行干扰消除解码；

发射信噪比为

基站的发射功率为P_T，用户处的高斯白噪声的方差为σ²；基站处的波束赋形矢量为

用户i的功率分配因子为β_i；

基站与用户i之间的信道矢量为h_i；

则用户n、用户m和用户k的可达速率如下：

用户n的可达速率R_n为：

用户m的可达速率R_m为：

用户k的可达速率R_k为：

仿真时，假设路径损耗因子α＝3，用户数K＝3，小尺度衰落信道服从均值为1的瑞利衰落。每条曲线仿真1000次信道实现取平均。用户随机部署，且服从均匀分布。

图1是在用户数为K＝3时，采用本发明的配对方法(NOMA)与迫零方案(ZF)、普通多用户通信场景(Normal)下的系统和速率性能对比图。

从图1中看出，利用本发明提出的配对方，法无论基站是在低发射功率还是高发射功率的情况，和速率的性能都优于迫零方案；而对于普通的多用户通信场景下的保密和速率性能，普通的多用户通信场景在低发射功率(0～32.6dBm)处略优于本发明的非正交方案，但是，随着基站发射功率的不断提高(大于32.6dBm)，本发明的所提方案表现出绝对优势。

综上，可以看出，采用本发明中提出的配对方案的非正交多址技术，在保证安全传输的前提下，提高了系统的和速率。

Claims (3)

1.用于非正交多址系统的用户配对方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1)，建立多用户非正交多址下行链路系统模型；

步骤2)，根据多时隙传输中用户平均误码率阈值要求不等式和步骤1)建立的多用户非正交多址下行链路系统模型得出多用户非正交多址下行链路系统模型中用户之间的用户调度判断式；

步骤3)，根据步骤2)得到的用户调度判断式判断用户之间能否配对；

步骤1)中，多用户非正交多址下行链路系统模型包括1个基站和K个用户；

基站为多天线，用户为单天线；

K个用户中，用户k和用户l是任意两个不相同的用户；

多用户非正交多址下行链路系统模型中，数据传输需要的时隙个数为λ，大尺度衰落的信道路径损耗因子α＝3，小尺度衰落为准静态瑞利衰落；

步骤2)中，截至t时刻时，多时隙传输中用户k在用户l处满足的平均误码率阈值要求不等式为：

用户k在用户l处的和误码率T(k；t)为：

根据式(1)和式(2)，t时刻时，得用户k在用户l处的用户调度判断式为：

式(1)、式(2)和式(3)中：

P_ek→l(t)表示t时刻用户k在用户l处的实际误码率：

SINR_k→l(t)表示t时刻用户l处关于用户k的信干噪比；

表示t时刻用户k在用户l处的误码率阈值；

t＇为时刻变量；

P₀为平均误码率阈值；

步骤3)中，判断用户之间能否配对时，通过如下过程实现：

选择用户k与用户l配对，则t时刻时，判断用户k在用户l处是否满足条件1和条件2，来判断用户之间能否配对，其中，条件1为用户k在用户l处的实际误码率P_ek→l(t)＝0，条件2为通过用户调度判断式判断t时刻用户k在用户l处的误码率阈值满足

2.根据权利要求1所述的用于非正交多址系统的用户配对方法，其特征在于，如果用户k满足条件1和条件2，且用户k的个数为1时，则用户k与用户l配对，若不满足条件1和条件2，则用户k与用户l不配对。

3.根据权利要求1所述的用于非正交多址系统的用户配对方法，其特征在于，如果用户k满足条件1和条件2，当用户k的个数为2个以上时，则选择t时刻时，用户k在用户l处误码率阈值最小的用户k与用户l配对。

Images