CN108768469A - 一种适用于协作noma系统的二分图匹配用户配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法。本发明所述适用于协作NOMA系统中的用户配对方法，通过分析协作NOMA系统的中断概率和利用对数函数的性质，将所研究的优化问题通过低复杂度KM算法获得最优解，最终实现最小化系统的中断概率的目标。

Description

一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法

技术领域

本发明涉及一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，属于通信系统的技术领域。

背景技术

近年来，作为第五代移动通信技术(5G)中多址方案强有力的候选者，非正交多址技术(NOMA)由于能够大幅度提高系统频谱效率引起国内外专家学者的广泛关注。NOMA的基本思想是对来自多个用户的信号，基于其信道状况，以不同功率因数复用相同的无线电资源，例如时间域和频率域。在接收端，信道状况较差的用户在译码自己的信息时会将其他用户的信息视为干扰，而具有更好信道状况的用户能够在解码自己的信息之前利用串行干扰消除(SIC)来移除另一用户的信息。

作为5G中以低成本获得更高频谱效率的关键无线电接入技术之一，NOMA扩展到协作传输系统以增强信道状况差的用户的传输可靠性。在协作NOMA系统中，由于SIC的执行，信道状态好的用户在获得自己信息的同时还可以获得信道状况差的用户信息。基于此，信道状态好的用户可以充当协作中继为信道状况差的用户转发信息，从而增强传输可靠性。

当前关于协作NOMA技术研究热点之一是对用户配对方案的设计。用户配对就是将信道状态好的用户和信道状态差的用户按照某一方法组合成不同的用户组，同一组内用户用NOMA标识，而不同组通过传统的正交多址接入技术(OMA)加以区分。与所有用户都参与NOMA相比，在采用用户配对方案的每一个用户组中，用户只需要关注自己和本组其他用户的信息，而不需要译码其他配对中用户的信息。因此，用户配对方案的实施既能维持信道状态差的用户分集增益又能降低系统译码的复杂度。

另外，现如今关于协作NOMA系统中用户配对方案的研究主要是基于用户位置信息和机会调度思想，利用用户的位置信息或者机会调度思想寻找用户配对尽可能降低系统的中断概率。但是已存方案只是次优的用户配对方案，并不能使系统获得最小的中断概率。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法。

术语说明：

信噪比：SNR，信号的能量与加性噪声能量的比值。

信干噪比：SINR，信号的能量与干扰能量和加性噪声能量的和的比值。

CDF：累积分布函数。

本发明的技术方案为：

一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，基于协作NOMA下行传输系统实现，所述下行传输系统，包括1个基站和K个用户；基站位于通信覆盖的圆圈区域的中心位置；圆圈区域的外侧设置有圆环区域；所述圆圈区域内随机设置有K_n个近用户，所述圆环区域内随机设置有K_f个远用户；远用户由于距基站较远无法实现与基站的正常通信；基站与近用户之间为射频通信，近用户接收到的信息为近用户和远用户的混合信息，近用户通过串行干扰消除技术分别解调出远用户和近用户的信息。随后，近用户将解调出来的远用户信息以射频信号形式发送给远用户。

NOMA系统的传输包括两个阶段：在第一个阶段，基站发送混合信息给近用户。为了降低系统的译码复杂度和开销，用户配对首先被执行。同时，采用OMA(例如时分复用TDMA和正交频分复用OFDMA)对不同的用户配对加以区分，在同一个配对中，近用户和远用户的信息通过NOMA区分。在第二个阶段，利用SIC，近用户先后获得远用户和自己的信息；一旦译码成功，近用户将通过射频链路为配对的远用户转发信息。

具体步骤如下：

(1)传输过程模拟

(A)第一阶段

下行协作NOMA系统中，在发送端，多个用户的调制信号被重叠编码，发送的信号为复用用户传输的调制信号之和。为了方便分析，我们假设所有用户已经被配对。

假设第i个近用户和第j个远用户配对，基站将混合信号a_ix_i+a_jx_j发送给近用户，其中x_i、x_j分别为近用户、远用户的调制信号，a_i、a_j分别为近用户、远用户的功率分配系数；近用户接收的信号为：

式(Ⅰ)中，P为基站发送功率，ω_i为高斯白噪声，d_i为基站到第i个近用户的距离，β为衰落因子；h_i为基站到第i个近用户的小尺度瑞利衰落，信道参数的概率密度函数PDF为：

对(Ⅱ)积分得到|h_i|²的CDF为：

当第i个近用户接收到y_i后，根据NOMA的思想，信号的接收端采用SIC；即近用户接收到信号后先将自己的信息x_i当做干扰信息解调出信息x_j，然后通过移除x_j进一步译码自己信息x_i，由此可得远用户和近用户的信干噪比；

远用户和近用户的信干噪比分别为：

σ²为高斯白噪声功率密度；

(B)第二阶段

如果近用户成功解码x_i和x_j，则为配对的远用户转发信息；假设第i个近用户的发送功率为P_ij，则第j个远用户接收到的信息为：

ω_j为第二阶段的高斯白噪声，η_ij为第二阶段的信道参数，具体表达如下：

d_ij和h_ij分别为第i个近用户到第j个远用户的距离和第i个近用户到第j个远用户的小尺度瑞利衰落，β为衰落因子；x_j在第二个阶段的SNR为：

(2)计算系统中断概率

假设所有近用户和远用户被分成G组，第i个近用户和第j个远用户被分配到第g组；定义Ω_g为第g组的中断事件；当第一阶段或者第二阶段中断时，Ω_g发生；即第i个近用户和第j个远用户均成功译码信息时，第g组正常通信；因此，第g组的中断概率为：

和分别表示第一阶段和第二阶段的中断事件，和分别表示对应的补集事件；

发生在第i个近用户成功译码x_i和x_j时，因此的概率为：

Γ_j和Γ_i分别为第j个远用户和第i个近用户的目标SINR，即分别为判断是否成功译码x_j和x_i的阈值，将公式(4)和(5)带入公式(10)中，进一步写为：

其中和

经过上述计算，被转换成求|h_i|²的CDF,进一步写为：

为第j个远用户成功译码x_j的概率；当第i个近用户在第一个阶段成功译码并转发x_j后，第j个远用户译码x_j；利用公式(8)可得：

其中

将公式(14)和(15)代入(9)中，第g组的中断概率为：

系统处于中断状态即任意一个用户配对处于中断状态；因此，系统的中断概率为：

(3)基于二分图匹配进行用户配对

定义为包含第j个远用户和第i个近用户的第g组的二维用户集；将用户配对问题规划为：目标函数：

限制条件：

||·||为集合的基数，为第g′组的二维用户集，为第g组的近用户，为第g组的远用户，g′为用户配对的标号，表示第g＇组用户配对；第一个限制条件限定一个近用户和一个远用户只能分配到一个配对中；第二个、第三个限制条件分别限定所有近用户和远用户都能够被配对；

如图2所示，将近用户和远用户的关系用二分图B(V₁，V₂，E)表示，V₁和V₂分别表示包含近用户和远用户的两个顶点集；E为连接V₁中每个顶点与V₂中每个顶点的边集，E中元素的数量为K_nK_f；E中的每一条边均有相应的权重；因此，所研究的用户配对问题被重新规划为在二分图中寻找一对一的匹配问题；这种一对一的匹配是使系统断概率最小的配对方案。E为连接V₁中每个顶点与V₂中每个顶点的边集，表明每个近用户均有机会与每个远用户配对。

实际上，低复杂度的Kuhn-Munkres(KM)算法能够找到具有最大权值和的一对一匹配。但是，根据公式(18)，最小的系统中断概率是通过对进行乘积运算得到的，而非相加运算，这有悖于KM算法的思想。为了能够执行KM算法，引入对数函数；

定义第g组中第i个近用户和第j个远用户的边权重为：

利用对数函数的单调递增性质，最小化系统的中断概率等价于如下的最大化问题：

通过上述转化，KM算法适用于所提出的优化问题，并且可以获得使系统中断概率最小的用户配对方案。

根据本发明优选的，所述步骤(A)中，a_i＜a_j且a_i+a_j＝1。根据NOMA的原则，在复用用户中，信道条件较差的用户分得的功率大于信道较好的用户，所以本发明假设a_i＜a_j且a_i+a_j＝1。

根据本发明优选的，所述步骤(B)中，远用户采用单信息译码获得x_j。因为第j个远用户只接收x_j，所以远用户可以采用单信息译码来获得x_j。

根据本发明优选的，所述步骤(3)中，假设K_n＝K_f＝K/2。通过该假设保证每一个远用户只能与一个近用户配对。

本发明的有益效果为：

1.本发明所述协作NOMA系统中的用户配对方法，通过分析协作NOMA系统的中断概率和利用对数函数的性质，将所研究的优化问题通过低复杂度KM算法获得最优解，最终实现最小化系统的中断概率的目标。

附图说明

图1是本发明所述协作NOMA下行传输系统；

图2是本发明的用户配对的二分图表示图；

图3是系统中断概率随SNR变化的仿真结果图。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施例对本发明作进一步限定，但不限于此。

实施例

一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，基于协作NOMA下行传输系统实现，如图1所示，所述下行传输系统，包括1个基站和K个用户；基站位于通信覆盖的圆圈区域的中心位置；圆圈区域的外侧设置有圆环区域；所述圆圈区域内随机设置有K_n个近用户，所述圆环区域内随机设置有K_f个远用户；远用户由于距基站较远无法实现与基站的正常通信；基站与近用户之间为射频通信，近用户接收到的信息为近用户和远用户的混合信息，近用户通过串行干扰消除技术分别解调出远用户和近用户的信息。随后，近用户将解调出来的远用户信息以射频信号形式发送给远用户。

NOMA系统的传输包括两个阶段：在第一个阶段，基站发送混合信息给近用户。为了降低系统的译码复杂度和开销，用户配对首先被执行。同时，采用OMA(例如时分复用TDMA和正交频分复用OFDMA)对不同的用户配对加以区分，在同一个配对中，近用户和远用户的信息通过NOMA区分。在第二个阶段，利用SIC，近用户先后获得远用户和自己的信息；一旦译码成功，近用户将通过射频链路为配对的远用户转发信息。

具体步骤如下：

(1)传输过程模拟

(A)第一阶段

下行协作NOMA系统中，在发送端，多个用户的调制信号被重叠编码，发送的信号为复用用户传输的调制信号之和。为了方便分析，我们假设所有用户已经被配对。

假设第i个近用户和第j个远用户配对，基站将混合信号a_ix_i+a_jx_j发送给近用户，其中x_i、x_j分别为近用户、远用户的调制信号，a_i、a_j分别为近用户、远用户的功率分配系数；近用户接收的信号为：

式(Ⅰ)中，P为基站发送功率，ω_i为高斯白噪声，d_i为基站到第i个近用户的距离，β为衰落因子；h_i为基站到第i个近用户的小尺度瑞利衰落，信道参数的概率密度函数PDF为：

对(Ⅱ)积分得到|h_i|²的CDF为：

当第i个近用户接收到y_i后，根据NOMA的思想，信号的接收端采用SIC；即近用户接收到信号后先将自己的信息x_i当做干扰信息解调出信息x_j，然后通过移除x_j进一步译码自己信息x_i，由此可得远用户和近用户的信干噪比；

远用户和近用户的信干噪比分别为：

σ²为高斯白噪声功率密度；

其中，a_i＜a_j且a_i+a_j＝1。根据NOMA的原则，在复用用户中，信道条件较差的用户分得的功率大于信道较好的用户，所以本发明假设a_i＜a_j且a_i+a_j＝1。

(B)第二阶段

如果近用户成功解码x_i和x_i，则为配对的远用户转发信息；假设第i个近用户的发送功率为P_ij，则第j个远用户接收到的信息为：

ω_j为第二阶段的高斯白噪声，η_ij为第二阶段的信道参数，具体表达如下：

d_ij和h_ij分别为第i个近用户到第j个远用户的距离和第i个近用户到第j个远用户的小尺度瑞利衰落，β为衰落因子；x_j在第二个阶段的SNR为：

其中，远用户采用单信息译码获得x_j。因为第j个远用户只接收x_j，所以远用户可以采用单信息译码来获得x_j。

(2)计算系统中断概率

假设所有近用户和远用户被分成G组，第i个近用户和第j个远用户被分配到第g组；定义Ω_g为第g组的中断事件；当第一阶段或者第二阶段中断时，Ω_g发生；即第i个近用户和第j个远用户均成功译码信息时，第g组正常通信；因此，第g组的中断概率为：

和分别表示第一阶段和第二阶段的中断事件，和分别表示对应的补集事件；

发生在第i个近用户成功译码x_i和x_j时，因此的概率为：

Γ_j和Γ_i分别为第j个远用户和第i个近用户的目标SINR；即分别为判断是否成功译码xj和xi的阈值，将公式(4)和(5)带入公式(10)中，进一步写为：

其中和

经过上述计算，被转换成求|h_i|²的CDF,进一步写为：

为第j个远用户成功译码x_j的概率；当第i个近用户在第一个阶段成功译码并转发x_j后，第j个远用户译码x_j；利用公式(8)可得：

其中

将公式(14)和(15)代入(9)中，第g组的中断概率为：

系统处于中断状态即任意一个用户配对处于中断状态；因此，系统的中断概率为：

(3)基于二分图匹配进行用户配对

假设K_n＝K_f＝K/2。通过该假设保证每一个远用户只能与一个近用户配对。

定义为包含第j个远用户和第i个近用户的第g组的二维用户集；将用户配对问题规划为：目标函数：

限制条件：

||·||为集合的基数，为第g′组的二维用户集，为第g组的近用户，为第g组的远用户，g′为用户配对的标号，表示第g′组用户配对；第一个限制条件限定一个近用户和一个远用户只能分配到一个配对中；第二个、第三个限制条件分别限定所有近用户和远用户都能够被配对；

如图2所示，将近用户和远用户的关系用二分图B(V₁，V₂，E)表示，V₁和V₂分别表示包含近用户和远用户的两个顶点集；E为连接V₁中每个顶点与V₂中每个顶点的边集，E中元素的数量为K_nK_f；E中的每一条边均有相应的权重；因此，所研究的用户配对问题被重新规划为在二分图中寻找一对一的匹配问题；这种一对一的匹配是使系统断概率最小的配对方案。E为连接V₁中每个顶点与V₂中每个顶点的边集，表明每个近用户均有机会月与个远用户配对。

实际上，低复杂度的Kuhn-Munkres(KM)算法能够找到具有最大权值和的一对一匹配。但是，根据公式(18)，最小的系统中断概率是通过对进行乘积运算得到的，而非相加运算，这有悖于KM算法的思想。为了能够执行KM算法，引入对数函数；

定义第g组中第i个近用户和第j个远用户的边权重为：

利用对数函数的单调递增性质，最小化系统的中断概率等价于如下的最大化问题：

通过上述转化，KM算法适用于所提出的优化问题，并且可以获得使系统中断概率最小的用户配对方案。

本实施例所提出的适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法关于最小化系统中断概率的效果图如图3所示。BMUP为实施例的方案，NNNF和NNFF为比较方案。图3显示的结果来看，以16用户为例，本发明提出的基于二分图匹配的用户配对方案与所比较方案的系统中断概率都随着SNR的增大而减小。除此之外，与比较方案相比，提出的用户匹配的方案在降低系统中断概率性能方面表现出显著优势。

Claims (4)

1.一种适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，基于协作NOMA下行传输系统实现，所述下行传输系统，包括1个基站和K个用户；基站位于通信覆盖的圆圈区域的中心位置；圆圈区域的外侧设置有圆环区域；所述圆圈区域内随机设置有K_n个近用户，所述圆环区域内随机设置有K_f个远用户；其特征在于，具体步骤如下：

(1)传输过程模拟

(A)第一阶段

假设第i个近用户和第j个远用户配对，基站将混合信号a_ix_i+a_jx_j发送给近用户，其中x_i、x_j分别为近用户、远用户的调制信号，a_i、a_j分别为近用户、远用户的功率分配系数；近用户接收的信号为：

式(Ⅰ)中，P为基站发送功率，ω_i为高斯白噪声，d_i为基站到第i个近用户的距离，β为衰落因子；h_i为基站到第i个近用户的小尺度瑞利衰落，信道参数的概率密度函数PDF为：

对(Ⅱ)积分得到|h_i|²的CDF为：

远用户和近用户的信干噪比分别为：

σ²为高斯白噪声功率密度；

(B)第二阶段

如果近用户成功解码x_i和x_j，则为配对的远用户转发信息；假设第i个近用户的发送功率为P_ij，则第j个远用户接收到的信息为：

ω_j为第二阶段的高斯白噪声，η_ij为第二阶段的信道参数，具体表达如下：

d_ij和h_ij分别为第i个近用户到第j个远用户的距离和第i个近用户到第j个远用户的小尺度瑞利衰落，β为衰落因子；x_j在第二个阶段的SNR为：

(2)计算系统中断概率

假设所有近用户和远用户被分成G组，第i个近用户和第j个远用户被分配到第g组；定义Ω_g为第g组的中断事件；当第一阶段或者第二阶段中断时，Ω_g发生；即第i个近用户和第j个远用户均成功译码信息时，第g组正常通信；因此，第g组的中断概率为：

和分别表示第一阶段和第二阶段的中断事件，和分别表示对应的补集事件；

发生在第i个近用户成功译码x_i和x_j时，因此的概率为：

Γ_j和Γ_i分别为第j个远用户和第i个近用户的目标SINR；将公式(4)和(5)带入公式(10)中，进一步写为：

其中和

经过上述计算，被转换成求|h_i|²的CDF,进一步写为：

为第j个远用户成功译码x_j的概率；当第i个近用户在第一个阶段成功译码并转发x_j后，第j个远用户译码x_j；利用公式(8)可得：

其中

将公式(14)和(15)代入(9)中，第g组的中断概率为：

系统处于中断状态即任意一个用户配对处于中断状态；因此，系统的中断概率为：

(3)基于二分图匹配进行用户配对

定义为包含第j个远用户和第i个近用户的第g组的二维用户集；将用户配对问题规划为：目标函数：

限制条件：

||·||为集合的基数，为第g′组的二维用户集，为第g组的近用户，为第g组的远用户，g′为用户配对的标号，表示第g′组用户配对；第一个限制条件限定一个近用户和一个远用户只能分配到一个配对中；第二个、第三个限制条件分别限定所有近用户和远用户都能够被配对；

将近用户和远用户的关系用二分图B(V₁，V₂，E)表示，V₁和V₂分别表示包含近用户和远用户的两个顶点集；E为连接V₁中每个顶点与V₂中每个顶点的边集，E中元素的数量为K_nK_f；

定义第g组中第i个近用户和第j个远用户的边权重为：

利用对数函数的单调递增性质，最小化系统的中断概率等价于如下的最大化问题：

2.根据权利要求1所述的适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，其特征在于，所述步骤(A)中，a_i＜a_j且a_i+a_j＝1。

3.根据权利要求1所述的适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，其特征在于，远用户采用单信息译码获得x_j。

4.根据权利要求1所述的适用于协作NOMA系统的二分图匹配用户配对方法，其特征在于，所述步骤(3)中，假设K_n＝K_f＝K/2。