CN108566622B - 一种基于位置信息的noma分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于位置信息的NOMA分簇方法，涉及通信技术领域，基于位置信息的NOMA分簇方法：根据每一个用户位置信息确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角，将同一个角度阈值范围内的多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇；判断同一簇的簇内进行信道增益强弱排序后的每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将该用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户；将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇；对有变化的且用户数大于2的新簇重新执行相应的步骤，通过综合考虑了用户位置信息和信道增益差两个因素，以期使基站发射波束能够指向目标用户簇来提升链路信道质量。

Description

一种基于位置信息的NOMA分簇方法

技术领域

本发明涉及通信技术领域，更具体的涉及一种基于位置信息的NOMA分簇方法。

背景技术

无线通信面临的一个重要课题是频谱资源的稀缺，而毫米波通信可获得极宽广的频段，弥补了微波频段频谱缺乏的劣势，更多的频谱资源可带来更宽的带宽，因而获得更高的容量，频谱扩展将在下一代无线通信网络中起着重要的作用。低频段频谱资源,持别是低于10GHz的频谱已经非常拥挤，利用10GHz以上的频谱通信已经成为提高吞吐率的重要途径，特别是利用位于30GHz到300GHz频段的毫米波进行通信，已经成为无线通信领域的热点。

除了毫米波频段的使用，增加系统容量的方法还有无线资源管理策略。非正交多址接入(NOMA,non-orthogonal multiple access)技术是在不增加任何新资源情况下极大提升小区频谱效率和系统容量的高性价比技术，已经成为5G和超5G蜂窝网络的重要技术。NOMA的关键是在相同的无线资源块中同时服务多个用户，它不仅允许利用更高更有效的频段服务于单个用户，也允许服务的用户数超过可获得的资源块数量。与传统的正交多址接入(OMA，orthogonal multiple access)相比，基站可以在同一频谱资源上调度不同用户，不同用户信息用不同的功率水平发送。发射端利用多用户信号的重叠码(SC，superposition coding)进行传输，接收端利用连续干扰消除(SIC，Successiveinterference cancellation)进行多用户检测和解码。NOMA在功率域叠加传输多个用户的信息，通过利用不同用户各自信道增益差来实现。

现有NOMA技术中的用户分簇只考虑了用户信道增益差，使得系统服务的用户数量少，通信链路质量差。

发明内容

本发明实施例提供一种基于位置信息的NOMA分簇方法，针对毫米波通信的方向性特点，在分簇算法时综合考虑了用户位置信息和信道增益差两个因素，以期使基站发射波束能够指向目标用户簇来提升链路信道质量，同时也能够进行连续干扰消除实现用户解码。

本发明实施例提供一种基于位置信息的NOMA分簇方法，包括：

步骤1、在网络中抛洒多个锚节点设备，并利用三边测量定位算法对网络中的所有用户设备进行定位，获得每一个用户位置信息；

步骤2、根据每一个用户位置信息，确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角；

步骤3、判断每一个所述夹角所属的角度阈值范围；

步骤4、将同一个角度阈值范围内的多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇；

步骤5、对同一簇的簇内用户进行信道增益强弱排序；

步骤6、当所有信道增益排序相邻的两用户间信道增益差值均大于差异因子θ时，则维持原簇；

步骤7、按照所述信道增益排序，依次判断每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将所述用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户；

步骤8、将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇；

其中，将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇包括：

S81、以同一簇中所有用户与基站连线的最大范围中心连线为基准；

S82、确定每一个信道增益强弱差异性不明显的用户与基站的连线与多个空间相邻簇中每一个空间相邻簇的的所述中心连线构成的第一角度；

S83、将每一个第一角度与第一角度阈值β进行比较，当所述第一角度小于β时，将所述第一角度确定为第二角度，并将所述信道增益强弱差异性不明显的用户加入到多个第二角度中第二角度最小的簇；其中，所述第二角度最小的簇为新簇；

S84、当多个第一角度中的每一个第一角度均大于等于第一角度阈值β时，将所述信道增益强弱差异性不明显的用户单独成簇；

步骤9、对有变化的且用户数大于2的新簇循环步骤5到步骤8，且当同一用户被移动了两次，将所述用户单独成簇。

较佳地，所述确定每一个所述夹角所属的角度阈值范围，包括：

预先设置多个角度阈值范围；

其中，多个角度阈值范围包括：第一角度阈值范围(0，α)、第二角度阈值范围(α，2α)…第

角度阈值范围

α为第二角度阈值；

将每一个所述夹角依次与多个角度阈值范围进行比较，确定所述夹角所属的角度阈值范围。

本发明实施例中，根据每一个用户位置信息，确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角，并将同一个角度阈值范围内多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇，使得本发明从用户空间位置考虑，将用户位置较集中的用户分为一簇，避免了由于簇内用户之间位置太分散时，使得发射波束较宽，波束间空间重叠严重，导致簇间干扰严重的问题。通过判断每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将所述用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户，将多个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇，避免相同或相近的信道增益用户被分配在同一簇，以保证实现连续干扰的消除，降低簇内干扰；由于通过本发明不仅减少了簇间干扰，也减少了簇内干扰，使得毫米波大规模天线系统不仅提高了服务的用户数量，而且提高了通信链路质量。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的用户端带有SIC的3用户下行NOMA簇；

图2为本发明实施例提供的一种基于位置信息的NOMA分簇方法的流程图；

图3为本发明实施例提供的三边测量定位算法图示；

图4为本发明实施例提供的簇中心连线示意图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

由于毫米波频段高、波长短，因此面向毫米波的无线大规模天线系统可以将更多根天线单元集成为阵列天线，极大地提升了复用增益和系统容量。由于天线单元数量庞大，若给每根天线单元配备专用射频链，不仅系统成本很高，而且架构复杂，射频链的功耗损失严重，因此，该系统将采用模数混和方式，不需在每根天线上配有专用射频链，射频链的数量可以大大减小，成本也因此而降低。但是，射频链的降低却限制了服务的用户数量，系统可服务的总用户数量不能超过射频链的数量。

为了打破有限射频链服务有限用户数量这个限制，将非正交多址技术应用到毫米波通信系统中来，与传统的每个射频链发射波束只能服务一个用户的模式不同，利用功率域这一新的领域，每个波束可服务多个用户。每个波束服务的多个用户可看做该波束对应的用户簇，簇中的用户利用与基站间信道状态的远近好坏，采用连续干扰消除SIC将簇内每个用户的信息解码。

SIC算法原理：

图1所示3用户下行NOMA系统，其中h₁、h₂和h₃分别是用户1、用户2和用户3的信道增益。假定x₁、x₂和x₃是用户1、用户2和用户3的期望信息，w₁、w₂和w₃是用户1、用户2和用户3的加性高斯白噪声。如果h1>h2>h3，用户1可以利用SIC消除用户2和用户3的干扰，用户2只能消除用户3的干扰，用户3无法消除任何来自于用户1和用户2的干扰，这就是SIC的基本操作原理。

在执行SIC后，簇中最高信道增益用户不受簇内其他用户的干扰，它的吞吐量依靠自己的信道增益和功率；虽然分配给最高信道增益用户的发射功率很低，但其对吞吐量的影响较小。如果最高信道增益足够高，可获得的信道吞吐量几乎不依赖于功率，除非功率非常低。因此，将高信道增益用户分布到不同的NOMA簇，因为这些高增益用户对每簇的和吞吐量有较大的贡献。

为了增加低信道增益用户的吞吐量，将它们与高信道增益用户配对分簇是一种有效的方法。原因在于高信道增益用户可以获得更高的速率甚至在较低的功率水平上，这样就可以将节约出的功率分配给弱信道用户。如此，下行用户分簇的关键点在于将最高信道增益用户与最低信道增益用户分在一簇，次高信道增益用户与次低信道增益用户信道分在一簇，沿用此规律可以对每簇只有两用户的下行NOMA系统进行分簇。当每簇中的用户数大于两个时，就需要在这个基本策略上进一步完善。同时，考虑用户的空间位置信息，将空间位置集中的用户尽量分为一簇，综合上述的分簇原则，本发明实施例提供的一种基于位置信息的NOMA分簇方法的流程图，如图2所示，该一种基于位置信息的NOMA分簇方法包括：

步骤1、在网络中抛洒多个锚节点设备，并利用三边测量定位算法对网络中的所有用户设备进行定位，获得每一个用户位置信息。

当确定了三个锚节点的坐标和未知节点分别到三个锚节点的距离就可以确定该节点的坐标。在二维空间中，如图3所示，已知三个锚节点的坐标分别为A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)，未知节点到三个锚节点A、B、C的距离分别为d₁、d₂、d₃，设未知节点坐标为D(x,y)，根据两点之间距离的数学计算公式，可以得到方程组如公式(1)定义为：

由公式(1)解得：

由此得到了未知节点的坐标D(x,y)。利用该方法进行定位关键还需要获得未知节点到锚节点的距离r，可根据未知用户与锚节点之间的信道增益与传输时间得到。

步骤2、根据每一个用户位置信息，确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角。

步骤3、判断每一个夹角所属的角度阈值范围。

其中，判断每一个夹角所属的角度阈值范围，包括：

预先设置多个角度阈值范围；

其中，多个角度阈值范围包括：第一角度阈值范围(0，α)、第二角度阈值范围(α，2α)…第

角度阈值范围

α为第二角度阈值；

将每一个该夹角依次与多个角度阈值范围进行比较，确定该夹角所属的角度阈值范围。

步骤4、将同一个角度阈值范围内的多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇。

步骤5、对同一簇的簇内用户进行信道增益强弱排序。

其中，同一簇的簇内用户进行信道增益强弱排序是为了考查已拟成簇用户是否能够进行簇内连续干扰消除(SIC)。

步骤6、当所有信道增益排序相邻的两用户间信道增益差值均大于差异因子θ时，则维持原簇。

步骤7、按照该信道增益排序，依次判断每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将该用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户。

步骤8、将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇。

其中，该将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇，包括：

S81、以同一簇中所有用户与基站连线的最大范围中心连线为基准。

S82、确定每一个信道增益强弱差异性不明显的用户与基站的连线与多个空间相邻簇中每一个空间相邻簇的的该中心连线构成的第一角度。

S83、将每一个第一角度与第一角度阈值β进行比较，当所述第一角度小于β时，将所述第一角度确定为第二角度，并将所述信道增益强弱差异性不明显的用户加入到多个第二角度中第二角度最小的簇；其中，所述第二角度最小的簇为新簇。

S84、当多个第一角度中的每一个第一角度均大于等于第一角度阈值β时，将该信道增益强弱差异性不明显的用户单独成簇。

步骤9、对有变化的且用户数大于2的新簇循环步骤5到步骤8，且当同一用户被移动了两次，将该用户单独成簇。

本发明实施例中，根据每一个用户位置信息，确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角，并将同一个角度阈值范围内多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇，使得本发明从用户空间位置考虑，将用户位置较集中的用户分为一簇，避免了由于簇内用户之间位置太分散时，使得发射波束较宽，波束间空间重叠严重，导致簇间干扰严重的问题。通过判断每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将所述用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户，将多个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇，避免相同或相近的信道增益用户被分配在同一簇，以保证实现连续干扰的消除，降低簇内干扰；也即通过综合考虑了用户位置信息和信道增益差两个因素，可使一个发射波束服务多个用户，提升了服务用户数量，且考虑了服务用户的位置信息，使得发射波束能够尽量指向目标用户，不但提升了链路质量，而且从空间上消除了部分簇间干扰。

尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (2)

1.一种基于位置信息的NOMA分簇方法，其特征在于，包括：

步骤1、在网络中抛洒多个锚节点设备，并利用三边测量定位算法对网络中的所有用户设备进行定位，获得每一个用户位置信息；

当确定了三个锚节点的坐标和未知节点分别到三个锚节点的距离就可以确定该节点的坐标，在二维空间中，已知三个锚节点的坐标分别为A(x₁，y₁)、B(x₂，y₂)、C(x₃，y₃)，未知节点到三个锚节点A、B、C的距离分别为d₁、d₂、d₃，设未知节点坐标为D(x,y)，根据两点之间距离的数学计算公式，可以得到方程组如公式(1)定义为：

由公式(1)解得：

由此得到了未知节点的坐标D(x,y)，利用该方法进行定位关键还需要获得未知节点到锚节点的距离r，可根据未知用户与锚节点之间的信道增益与传输时间得到；

步骤2、根据每一个用户位置信息，确定每一个用户与基站的连线与水平X轴的夹角；

步骤3、确定每一个所述夹角所属的角度阈值范围；

步骤4、将同一个角度阈值范围内的多个夹角一一对应的多个用户拟分为同一簇；

步骤5、对同一簇的簇内用户进行信道增益强弱排序；

步骤6、当所有信道增益排序相邻的两用户间信道增益差值均大于差异因子θ时，则维持原簇；

步骤7、按照所述信道增益排序，依次判断每一个用户与前一个相邻的用户间的信道增益差值是否小于θ，当小于θ时，将所述用户确定为信道增益强弱差异性不明显的用户；

步骤8、将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇；

其中，将至少一个信道增益强弱差异性不明显的用户重新进行分簇包括：

S81、以同一簇中所有用户与基站连线的最大范围中心连线为基准；

S82、确定每一个信道增益强弱差异性不明显的用户与基站的连线与多个空间相邻簇中每一个空间相邻簇的所述中心连线构成的第一角度；

S83、将每一个第一角度与第一角度阈值β进行比较，当所述第一角度小于β时，将所述第一角度确定为第二角度，并将所述信道增益强弱差异性不明显的用户加入到多个第二角度中第二角度最小的簇；其中，所述第二角度最小的簇为新簇；

S84、当多个第一角度中的每一个第一角度均大于等于β时，将所述信道增益强弱差异性不明显的用户单独成簇；

步骤9、对有变化的且用户数大于2的新簇循环步骤5到步骤8，且当同一用户被移动了两次，将所述用户单独成簇。

2.如权利要求1所述的基于位置信息的NOMA分簇方法，其特征在于，所述确定每一个所述夹角所属的角度阈值范围，包括：

预先设置多个角度阈值范围；

其中，多个角度阈值范围包括：第一角度阈值范围(0，α)、第二角度阈值范围(α，2α)…第

角度阈值范围

α为第二角度阈值；

将每一个所述夹角依次与多个角度阈值范围进行比较，确定所述夹角所属的角度阈值范围。

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