CN107734697B - 基于noma系统的低复杂度多用户分组方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于移动通信技术领域，具体为基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法；包括：选出待完成用户组合映射的子带资源，确定子带复用用户数；将所有候选用户按照信道增益降序排列，并将排列的候选用户进行初始分组，选取初始分组中的第一组作为基组合；根据基组合与第二组中的用户的所有组合情况，通过几何平均用户吞吐量最大准则选出满足要求的用户组合，把满足要求的用户组合构造成新的基组合，完成新的基组合与第三组中的用户组合，往复循环同样的操作，直到所有初始分组完成用户分组；根据加权吞吐量和最大调度准则，完成子带与多用户组合的映射；本发明实现了系统吞吐量性能、复杂度和用户公平性的折中，而且实现了多个用户分组的情况。

Description

基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于NOMA系统的多用户分组方法。

背景技术

随着物联网和云计算的飞速发展，第五代移动通信系统需要满足更高容量和更大用户连接数的新需求。然而，传统的正交多址接入技术(orthogonal multiple access，OMA)很难满足这些需求，在这种背景下Saito等人提出了非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access，NOMA)。NOMA的主要思想是利用功率域，在相同的时频资源上复用多个用户，并且在接收端采用诸如串行干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)的接收机分离多路复用用户。NOMA通过在功率域中复用用户来实现频谱超载，其中同时服务的用户数量也不再受正交资源的数量限制。通过非正交多址接入技术实现多用户共享时频资源域，可以使连接的设备数量增加2～3倍，并且同时获得高达50％的用户和系统吞吐量增益。对于下行链路广播信道，在多用户无线路径存在差异的情况下，选取哪些用户进行叠加传输对系统吞吐量性能起着重要作用。

目前，采用的用户分组方法主要局限于两个用户的情况，诸如首尾用户组合方法、信道增益间隔用户组合方法和随机用户分组方法。首尾用户组合方法首先将所有用户按照等效传输功率升序排列，然后依次选取头尾用户组合在一起。信道增益间隔用户组合方法是基于用户信道状态信息划分用户，将信道条件好的用户与信道条件差的用户组合在一起，然后根据二进制错位原理完成用户分组。随机用户分组方法不考虑用户的信道状态信息，从候选用户中随机选择两个用户组合在一起。

首尾用户组合方法、信道增益间隔用户组合方法和随机用户分组方法主要局限于两个用户组合的情况，而且这些方法是以系统总吞吐量性能损耗换取低复杂性，没有折中考虑复杂性、吞吐量性能和公平性的实现。基于此，本发明提出了一种基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法。

发明内容

本发明的目的在于提供基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法。一种基于NOMA系统的低复杂度多分组用户方法，包括：

S1、选择子带，确立子带复用用户数；

S2、对小区的所有候选用户进行排序并初始分组；

S3、对所述初始分组的用户分组进行优化，确定最终候选用户组合集；

S4、根据所述最终候选用户组合集，确定最终候选用户组合集与子带的映射。

进一步的，所述选择子带，确立子带复用用户数包括：基站选择当前需要进行用户调度的子带b，并根据当前系统信令开销大小以及用户终端信道状态信息，确定子带复用用户数N_b。

进一步的，所述对小区的所有候选用户进行排序并初始分组包括：基站根据所述用户终端的信道状态信息，将用户按照信道增益降序排列，并将排序后的K个用户进行初始分组，并划分成N_b组；具体包括：当K能整除N_b时，将K个用户平均分成N_b组，每一个组合用户数为

每一个用户组合情况如下所示：

当K不能整除N_b时，将K个用户分成N_b组，前N_b-(KmodN_b)个组合的用户数均为

后(KmodN_b)个组合的用户数均为

每一个用户组合情况如下所示：

其中，mod表示取余符号，

表示向下取整；u_k表示第k个用户，k∈{1,2,...,K}，G_i表示第i组，i∈{1,2,...,N_b}。

进一步的，对所述初始分组的用户分组进行优化，确定最终候选用户组合集和包括：依次确定初始分组中相邻两个分组的用户间的组合情况，当所有初始分组中的所有用户都完成选择后，确定最终的最优组合情况，得到前N_b组初始分组的候选用户组合集

优选的，所述选出满足几何平均用户吞吐量最大的用户组合作为候选用户组合包括：对用户组合进行预功率分配，选出候选用户组合；具体包括：采用部分功率分配算法对初始分组的用户进行初始功率分配，分配给用户n的初始传输功率可通过下式获得：

其中，g_n是第n个用户对应的等效信道增益，g_j表示第j个用户对应的等效信道增益，I_n表示第n个用户的小区间干扰，I_j表示第j个用户的小区间干扰，n_n表示第n个用户的加性高斯白噪声，n_j表示第j个用户的加性高斯白噪声，α_ftpc为部分功率分配的衰减因子，P为用户分组所需的初始功率，S表示用户组合，Ω_k表示前k个初始分组中所有用户的组合集，n∈S。

优选的，所述选出候选用户组合的目标函数为：

其中，

表示前k个初始分组完成用户组合后所得的候选用户集，Ω_k表示前k个初始分组完成用户组合后所得的所有可能的用户组合集，R_u表示所述组合集Ω_k中某一用户组合的第u个用户的吞吐量，g_u是第u个用户对应的等效信道增益，p_u为第u个用户的初始传输功率值，I_u分别表示第u个用户的小区间干扰，n_u表示第u个用户的信道加性高斯白噪声，B为系统带宽，W为子带数目。

进一步的，所述确定最终候选用户组合集与子带的映射包括：根据加权吞吐量和最大调度准则，完成子带与多用户组合的映射；最终所得的候选用户组合集

即为子带b进行调度时的所有用户组合情况，在多用户调度过程中，调度器计算

中每一个用户组合的加权吞吐量和，选出满足加权吞吐量和最大的一组用户组合作为当前的调度结果，调度决策准则表示如下：

其中，S^*表示当前调度的最佳用户组合，S表示候选用户组合集，

为分组所得的最终候选用户组合集，b表示基站选择当前需要进行用户调度的子带，也即当前占用的频带资源；T_n ^-1(t)为用户n在时间t内的平均吞吐量的倒数，R_b(n|S；t)为子带b上候选用户组合集S中的用户n在时间t时的瞬时可实现吞吐量，arg max[·]表示·取得最大值时自变量的取值。

本发明不但折中考虑了系统吞吐量性能、复杂度和用户公平性，而且还实现了多个用户分组的情况。

附图说明

图1为本发明基于NOMA系统的低复杂度多分组用户方法的流程图；

图2为NOMA下行链路多用户分组模型；

图3为本发明基于NOMA系统的低复杂度多分组用户方法的具体流程图；

图4为本发明的系统总吞吐量分析图；

图5为本发明的几何平均用户吞吐量分析图；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

以下结合附图和具体实例对本发明实施方式作具体描述。

图2为NOMA系统下行链路多用户分组模型；假设小区中总的用户数为K，可用子带数为W，系统带宽为B，总发射功率为P_BS，子带b上叠加的用户数为N＝1，2，...，N_max，其中N_max为所述子带b允许复用的最多用户数，基站和接收端天线数都为1。

在发射端，子带b上的叠加信号s_b可表示为:

其中，x_k表示在子带b上第k个用户的发送符号，P_k代表第k个用户在子带b上分配的功率，P_k＝β_k×P_BS/N_SB，β_k为用户k的功率分配系数值。

在接收端，用户UE_n在子带b上的接收信号为：

其中，h表示子带b上基站到接收端UE_n的信道增益，n'表示子带b上基站到接收端UE_n的噪声；假设所述噪声的均值为零，方差为

I表示小区间干扰。

通过计算子带b上每一个复用用户的吞吐量，可以获得子带b上复用用户的总吞吐量，表示为：

其中，β_n和β_k分别表示用户n和用户k的功率分配系数值，W为可用子带数，B为系统带宽，SINR_n表示基站将所有传输功率分配给用户时的信干噪比。从式(3)可以看出，子带b上用户的总吞吐量与复用用户的信道响应系数和功率分配系数有关，所以复用用户的分组策略以及用户功率分配方法对系统性能起着决定性作用。

本发明的基于NOMA系统的低复杂度多分组用户方法，如图1所示，包括：

S1、选择子带，确立子带复用用户数；

S2、对小区的所有候选用户进行排序并初始分组；

S3、对所述初始分组的用户分组进行优化，确定最终候选用户组；

S4、根据所述最终候选用户组，确定最终候选用户组与子带的映射。

进一步的，图3所示为多用户分组过程流程图。具体步骤如下：

(a)选择子带b，确定子带复用用户数N_b；

子带复用用户数N_b与信令开销和接收端复杂度密切相关，N_b越大，额外的信令开销就越大，接收端复杂度就越高。折中考虑性能、复杂度和系统开销因素，通常子带复用用户数限制为N_b＝[2,3,4]。

(b)将K个用户进行初始分组；

当K能整除N_b时，将K个用户平均分成N_b组，每一个组合用户数为

每一个用户组合情况如下所示：

当K不能整除N_b时，将K个用户分成N_b组，前N_b-(K mod N_b)个组合的用户数均为

后(K mod N_b)个组合的用户数均为

其中，mod表示取余符号，

表示向下取整。每一个用户组合情况如下所示：

(c)依次确定初始分组的相邻两个分组的用户间组合情况，并对所有可能的用户组合进行初始功率分配；

为了保证用户匹配过程的低复杂性，采用部分功率分配算法对初始用户组合进行初始功率分配，用户n的传输功率可通过下式获得：

其中，g_n是第n个用户对应的等效信道增益，g_j表示第j个用户对应的等效信道增益，I_n表示第n个用户的小区间干扰，I_j表示第j个用户的小区间干扰，n_n表示第n个用户的加性高斯白噪声，n_j表示第j个用户的加性高斯白噪声，α_ftpc为部分功率分配的衰减因子，P为用户分组所需的初始功率，S表示候选用户组合集，n∈S，Ω_k表示前k个初始分组中所有用户的组合集。

(d)确定前两组初始分组的候选用户组合

前两组初始分组的用户匹配过程，首先完成第一组中所有用户与第二组中用户的匹配，匹配过程中，第二组中的每个用户匹配的次数不超过2，然后依次选出满足几何平均用户吞吐量最大的用户组合作为候选用户组，其次判断候选用户组是否完全包含第二组的用户，若第二组中仍有剩余用户未完成分组，考虑第二组中剩余用户与第一组所有用户的匹配情况，依次选出满足几何平均用户吞吐量最大的用户组合作为候选用户组。对于第二组剩余用户的匹配情况，第一组的用户或用户组只能被唯一的选取。如下给出几何平均用户吞吐量目标函数：

其中，

表示前k个初始分组完成用户组合后所得的候选用户集，Ω_k表示前k个初始分组完成用户组合后所得的所有可能的用户组合，R_u表示组合集Ω_k中某一用户组合的第u个用户的吞吐量。g_u是第u个用户对应的等效信道增益，p_u为第u个用户的初始传输功率值，I_u和n_u分别表示第u个用户的小区间干扰和信道加性高斯白噪声，B为系统带宽，W为子带数目。

(e)把步骤(d)所得的候选用户组合作为下一次用户分组的基组合，采取与步骤(d)相同的分组原理，完成基组合与初始分组中第三组用户的匹配，从而确定前三组初始分组的候选用户组合

(f)反复执行步骤(c)-(e)，直到求解出前N_b组初始分组的候选用户组合

为止，也即最终候选用户组合

(g)步骤(f)最终所得的候选用户组合

即为子带b进行调度时的所有用户组合情况，在多用户调度过程中，调度器计算

中每一个用户组合的加权吞吐量和，选出满足加权吞吐量和最大的一组用户组合作为当前的调度结果，调度决策准则表示如下：

其中，S^*表示当前调度的最佳用户组合，S表示候选用户组合集，

为分组所得的最终候选用户组合集，b表示基站选择当前需要进行用户调度的子带，T_n ^-1(t)为用户n在时间t内的平均吞吐量的倒数，R_b(n|S；t)为子带b上候选用户组合集S中的用户n在时间t时的瞬时可实现吞吐量，arg max[·]表示·取得最大值时自变量的取值。

(h)判断所有子带是否完成用户分组，否则反复执行步骤(a)-(g)，直到所有子带完成用户分组为止。

为了进一步说明本发明在复杂度方面的优势，下面对本发明提出的方法的复杂度作进一步的分析。假设小区总的用户数为K，子带复用用户数为N，全搜索用户分组方法会考虑N个用户组合在一起的所有情况，从而全搜索用户分组方法的复杂度可表示为

本发明所提的多用户分组方法最终调度时可能的候选用户组合数小于

通过计算复杂度的分析可得，本发明所提多用户分组方法在计算复杂度上具有很大优势。

为了进一步说明基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法的有效性，下面对本发明的多用户分组方法进行仿真验证，图4和图5分别为MATLAB环境下本发明与现有技术的吞吐量和几何平均用户吞吐量性能仿真图。仿真参数设置如下，信道模型为频率选择性瑞利衰落信道，6径的功率分布为[0，-8.69，-17.37，-26.06，-34.74，-43.43]dB，最大多普勒频移为5.55Hz，反馈延迟为4ms，功率域叠加用户数分别为2，3，4个，系统带宽为10MHz，子带带宽为1.08MHz，噪声密度为-174dBm/Hz，信道估计为理想状态。仿真结果可以看出，小区用户数为16的情况下，本发明与信道增益间隔用户分组方法相比，系统总吞吐量性能提升约4％，几何平均用户吞吐量性能提升约3％；与首尾用户分组方法相比，系统总吞吐量性能提升约9％，几何平均用户吞吐量性能提升约11％。

基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法充分利用用户终端的信道状态信息，以几何平均用户吞吐量最大为准则，很好地保证了系统吞吐量性能，且能进一步提高用户间的公平性，同时还能保证系统可接受的复杂度，最终使系统吞吐量性能、复杂度和用户公平性达到良好折中。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.基于NOMA系统的低复杂度多用户分组方法，其特征在于，包括：

S1、选择子带，确立子带复用用户数；

基站选择当前需要进行用户调度的子带b，并根据当前系统的信令开销以及用户终端的信道状态信息，确定子带复用用户数N_b；

S2、对小区的所有候选用户进行排序并初始分组；

基站根据用户终端的信道状态信息，将用户按照信道增益降序排列，将排序后的K个用户进行初始分组，并划分成N_b组；

当K能整除N_b时，将K个用户平均分成N_b组，每一组用户数均为

每一组用户情况如下所示：

当K不能整除N_b时，将K个用户分成N_b组，前N_b-(KmodN_b)组的用户数均为

后(KmodN_b)组的用户数均为

每一个用户组合情况如下所示：

其中，mod表示取余符号，

表示向下取整，u_k表示第k个用户，k∈{1,2,...,K}，G_i表示第i组，i∈{1,2,...,N_b}；

S3、对所述初始分组的用户分组进行优化，确定最终候选用户组合集；

依次确定初始分组中相邻两个分组的用户间的组合情况，选出满足几何平均用户吞吐量最大的用户组合作为候选用户组合；当初始分组的所有分组中的用户都完成选择后，确定最终的最优用户组合情况，得到前N_b组初始分组的候选用户组合集

对用户组合进行初始功率分配，选出候选用户组合；具体包括：采用部分功率分配算法对初始分组的用户进行初始功率分配，分配给用户n的初始传输功率p_n通过下式获得：

其中，g_n是第n个用户对应的等效信道增益，g_j表示第j个用户对应的等效信道增益，I_n表示第n个用户的小区间干扰，I_j表示第j个用户的小区间干扰，n_n表示第n个用户的加性高斯白噪声，n_j表示第j个用户的加性高斯白噪声，α_ftpc为部分功率分配的衰减因子，P为用户分组所需的初始功率，S表示候选用户组合集，n∈S，Ω_k表示前k个初始分组中所有用户的组合集；

选出候选用户组合的目标函数为：

其中，

表示前k个初始分组完成用户组合后所得的候选用户集，Ω_k表示前k个初始分组完成用户组合后所得的所有可能的用户组合集，R_u表示所述用户组合集Ω_k中某一用户组合的第u个用户的吞吐量，g_u是第u个用户对应的等效信道增益，p_u为第u个用户的初始传输功率值，I_u分别表示第u个用户的小区间干扰，n_u表示第u个用户的信道加性高斯白噪声，B为系统带宽，W为子带数目

S4、根据所述最终候选用户组合集，确定最终候选用户组合集与子带的映射；

根据加权吞吐量和最大调度准则，完成子带与多用户组合的映射；最终候选用户组合集为

即为子带b进行调度时的所有用户组合情况；具体包括：在多用户调度过程中，调度器计算

中每一个用户组合的加权吞吐量和，选出满足加权吞吐量和最大的一组用户组合作为当前的调度结果，调度决策准则表示如下：

其中，S^*表示当前调度的最佳用户组合，S表示候选用户组合集，

为分组所得的最终候选用户组合集，b表示基站选择当前需要进行用户调度的子带，

为用户n在时间t内的平均吞吐量的倒数，R_b(n|S；t)为所述子带b上候选用户组合集S中的用户n在时间t时的瞬时可实现吞吐量，argmax[·]表示·取得最大值时自变量的取值。

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