CN108834112A - 一种基于noma的中继辅助d2d通信系统功率分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，该方法包括以下步骤：基站首先获取各个设备之间的理想信道状态信息和D2D发送端和中继处的发送信噪比；基站根据收到的信息求出系统遍历容量的近似表达式，得出在基站处和中继处最优的功率分配系数；基站根据求出的在基站处最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到中继和蜂窝用户，把最优功率分配系数发送给中继，D2D发送端也向中继发送信号。中继收到传来的信号后，根据从基站处得到的最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。该方法计算复杂度低，适用于D2D用户与蜂窝用户复用下行频谱资源的情况，能够有效减少D2D用户受到的干扰，提高了系统的和容量。

Description

一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法
技术领域
本发明涉及一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，可用于D2D通信场景下的资源分配技术领域。
背景技术
D2D通信又称端对端通信，是指通信网络中近邻设备之间直接交换信息的通信，D2D技术能够提升频谱利用率和吞吐量，扩大网络容量，保证通信网络能更为灵活、智能、高效地运行，为大规模网络的零延迟通信、移动终端的海量接入及大数据传输开辟了新的途径。而当D2D用户之间距离过远或信道衰落严重时，由于发射功率受限，信噪比和服务质量很难得到保证，此时就需要从中引入中继，将中继引入到D2D中后，不仅能够满足过远或信号衰落严重时的信噪比和服务质量，而且还能够通过调节中继转发时的发射功率，使得整个系统获得最大的性能。传统情况下D2D复用蜂窝下行链路情况下，基站发送功率过大会对D2D通信产生很大影响。
NOMA技术又称非正交多址技术，它的提出是为了在满足用户体验需求的前提下，更加高效的利用频谱资源。NOMA的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰消除接收机实现正确解调。虽然采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好的提高频谱效率，用提高接收机的复杂程度来换取频谱效率。
发明内容
本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，该方法适用于带有端对端D2D通信的单小区蜂窝通信系统，该系统包括一个基站，一个蜂窝用户，一个中继和一对D2D用户，使用中继的D2D用户对通过使用非正交多址NOMA的方式与一个蜂窝用户复用下行频谱资源，基于最大化系统遍历容量的原则来进行功率分配，在系统的一个传输周期内，平均分为两个时隙，第一时隙，基站发送混合信号到中继和蜂窝用户，同时D2D发送端也在发送信号到中继，第二时隙，中继把从基站收到的信号和从D2D发送端收到的信号分别转发到蜂窝用户和D2D接收端；
该方法包括以下步骤：
S1：基站首先获取各个设备之间的理想信道状态信息和D2D发送端和中继处的发送信噪比；
S2：基站根据S1步骤所收到的信息求出系统遍历容量的近似表达式，基于最大化该近似值，得出在基站处和中继处最优的功率分配系数；
S3：基站根据S2步骤所求出的在基站处最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到中继和蜂窝用户，并且把在中继处最优功率分配系数发送给中继，与此同时，D2D发送端也向中继发送信号。
S4：中继收到传来的信号后，根据从基站处得到的最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。
优选地，在S1步骤中，所述理想信道按照如下方式建模：设系统中各个设备均是单天线，定义hij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D1，D2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道。
优选地，在S1步骤中，所述系统遍历容量是三个信号的可达速率之和，三个信号分别为基站直接发送到蜂窝用户的信号，用xC表示，基站通过中继进行转发发送到蜂窝用户的信号，用xR表示，D2D发送端通过中继进行转发发送到D2D接收端的信号，用xD表示，中继采用DF模式，工作在半双工方式。
优选地，在S2步骤中，所述功率分配系数指的是在使用NOMA时分配给强用户的功率占总的发射功率的比，其中，强用户指的是使用NOMA的两个用户中信道条件较好的那个，基站和中继处都使用了NOMA，它们的功率分配系数分别用a和b表示，a，b的取值范围为(0，0.5)。
优选地，总容量由三部分相加得到，所述系统容量近似表达式如下：信号xC，xR，xD的可达速率表达式分别如下：
其中，
式子中θi分别为θ1＝ρD1βD1C，θ2＝ρBβBC，θ3＝ρD1βD1R，θ4＝ρBβBR，θ5＝ρRβRD2。其中ρD1，ρB，ρR分别为D2D发送端，基站，中继处的发送信噪比，βij指设备i到设备j的大尺度衰落系数，是指数积分函数，信号xC，xD的可达速率是准确值，信号xR的是高信噪比下的近似值。
优选地，在S2步骤中，所述基站对表达式进行分析，得到最优的功率分配系数采用的方法步骤如下：
S201：设定一个判决门限ε，给基站处和中继处的功率分配系数a_old和b_old一个初始值；
S202：将a_old和b_old代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_old；
S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的a，记为a_new；
S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的b，记为b_new；
S205：将a_new和b_new代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_new；
S206：判断∣C_new-C_old∣≤ε是否成立；
S207：如果∣C_new-C_old∣≤ε不成立，则将a_new和b_new的值分别给a_old和b_old；
S208：如果∣C_new-C_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。
本发明技术方案的优点主要体现在：本发明提供的方法计算复杂度低，适用于D2D用户与蜂窝用户复用下行频率的情况，能够有效的减少D2D用户受到的干扰，提高了系统的和容量。原来的信道是瑞利信道，它的增益不是固定的，想要获取最优的功率分配方案十分复杂，在计算出系统遍历容量的表达式后，按照上面的方法很容易求出最优功率分配的系数，减少了计算的复杂度。
附图说明
图1为本发明的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法的流程图。
图2为本发明的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统的场景模型图。
具体实施方式
本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。
本发明揭示了一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，该方法适用于带有端对端(D2D)通信的单小区蜂窝通信系统。如图1所示，该通信系统包括基站、蜂窝用户、中继和D2D用户对，具体地，该系统包括基站BS、蜂窝用户CUE、中继RELAY、D2D的发送端D1和D2D的接收端D2，该系统具有一个传输周期，把一个传输周期平均分为两部分，分别为第一时隙和第二时隙，第一时隙，基站发送混合信号到中继和蜂窝用户，同时D2D发送端也在发送信号到中继，第二时隙，中继把从基站收到的信号和从D2D发送端收到的信号分别转发到蜂窝用户和D2D接收端。
该通信系统的功率分配方法包括以下步骤：
S1：基站首先获取各个设备之间的理想信道状态信息和D2D发送端和中继处的发送信噪比；
S2：基站根据S1步骤所收到的信息求出系统遍历容量的近似表达式，基于最大化该近似值，得出在基站处和中继处最优的功率分配系数；
S3：基站根据S2步骤所求出的在基站处最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到中继和蜂窝用户，并且把在中继处最优功率分配系数发送给中继，与此同时，D2D发送端也向中继发送信号。
S4：中继收到传来的信号后，根据从基站处得到的最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。
在S1步骤中，所述理想信道按照如下方式建模：设系统中各个设备均是单天线，定义hij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D1，D2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道。
在S1步骤中，所述系统遍历容量是三个信号的可达速率之和，三个信号分别为基站直接发送到蜂窝用户的信号，用xC表示，基站通过中继进行转发发送到蜂窝用户的信号，用xR表示，D2D发送端通过中继进行转发发送到D2D接收端的信号，用xD表示。中继采用DF模式，工作在半双工方式。
在S2步骤中，所述的功率分配系数指的是在使用NOMA时分配给强用户的功率占总的发射功率的比，其中，强用户指的是使用NOMA的两个用户中信道条件较好的那个。基站和中继处都使用了NOMA，它们的功率分配系数分别用a和b表示，由于NOMA中分配给强用户的功率会小于弱用户，因而a，b的取值范围为(0，0.5)。
在S2步骤中，从上述内容中，可以知道总容量由三部分相加得到，所述的系统容量近似表达式如下：信号xC，xR，xD的可达速率表达式分别如下：
其中，
式子中θi分别为θ1＝ρD1βD1C，θ2＝ρBβBC，θ3＝ρD1βD1R，θ4＝ρBβBR，θ5＝ρRβRD2。其中ρD1，ρB，ρR分别为D2D发送端，基站，中继处的发送信噪比，βij指设备i到设备j的大尺度衰落系数。是指数积分函数。信号xC，xD的可达速率是准确值，信号xR的是高信噪比下的近似值。
在S2步骤中，求出最优功率分配系数方法的流程如图2所示，具体包括如下步骤：
S201：设定一个判决门限ε，给基站处和中继处的功率分配系数a_old和b_old一个初始值。
S202：将a_old和b_old代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_old。
S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的a，记为a_new。
S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的b，记为b_new。
S205：将a_new和b_new代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_new。
S206：判断∣C_new-C_old∣≤ε是否成立。
S207：如果∣C_new-C_old∣≤ε不成立，则将a_new和b_new的值分别给a_old和b_old。
S208：如果∣C_new-C_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。
这里对系统容量表达式进行分析时，假设基站，中继，D2D发送端的发送信噪比是已知并且固定的，这样系统容量的表达式是一个关于a和b的二元函数。
该方法解决了传统情况下D2D复用蜂窝下行链路情况下，基站发送功率过大会对D2D通信产生很大影响，提供了一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，可以提高系统的总容量。基于最大化系统遍历容量的原则来进行功率分配，得出最优的功率分配方法。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：该方法适用于带有端对端D2D通信的单小区蜂窝通信系统，该系统包括一个基站，一个蜂窝用户，一个中继和一对D2D用户，使用中继的D2D用户对通过使用非正交多址NOMA的方式与一个蜂窝用户复用下行频谱资源，基于最大化系统遍历容量的原则来进行功率分配，在系统的一个传输周期内，平均分为两个时隙，第一时隙，基站发送混合信号到中继和蜂窝用户，同时D2D发送端也在发送信号到中继，第二时隙，中继把从基站收到的信号和从D2D发送端收到的信号分别转发到蜂窝用户和D2D接收端；
该通信系统的功率分配方法包括以下步骤：
S1：基站首先获取各个设备之间的理想信道状态信息和D2D发送端和中继处的发送信噪比；
S2：基站根据S1步骤所收到的信息求出系统遍历容量的近似表达式，基于最大化该近似值，得出在基站处和中继处最优的功率分配系数；
S3：基站根据S2步骤所求出的在基站处最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到中继和蜂窝用户，并且把在中继处最优功率分配系数发送给中继，与此同时，D2D发送端也向中继发送信号。
S4：中继收到传来的信号后，根据从基站处得到的最优功率分配系数，使用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。
2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：在S1步骤中，所述理想信道按照如下方式建模：设系统中各个设备均是单天线，定义hij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D1，D2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道。
3.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：在S1步骤中，所述系统遍历容量是三个信号的可达速率之和，三个信号分别为基站直接发送到蜂窝用户的信号，用xC表示，基站通过中继进行转发发送到蜂窝用户的信号，用xR表示，D2D发送端通过中继进行转发发送到D2D接收端的信号，用xD表示，中继采用DF模式，工作在半双工方式。
4.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，所述功率分配系数指的是在使用NOMA时分配给强用户的功率占总的发射功率的比，其中，强用户指的是使用NOMA的两个用户中信道条件较好的那个，基站和中继处都使用了NOMA，它们的功率分配系数分别用a和b表示，a，b的取值范围为(0，0.5)。
5.根据权利要求3所述的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：总容量由三部分相加得到，所述系统容量近似表达式如下：信号xC，xR，xD的可达速率表达式分别如下：
其中，
式子中θi分别为θ1＝ρD1βD1C，θ2＝ρBβBC，θ3＝ρD1βD1R，θ4＝ρBβBR，θ5＝ρRβRD2。其中ρD1，ρB，ρR分别为D2D发送端，基站，中继处的发送信噪比，βij指设备i到设备j的大尺度衰落系数，是指数积分函数，信号xC，xD的可达速率是准确值，信号xR的是高信噪比下的近似值。
6.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，所述基站对表达式进行分析，得到最优的功率分配系数采用的方法步骤如下：
S201：设定一个判决门限ε，给基站处和中继处的功率分配系数a_old和b_old一个初始值；
S202：将a_old和b_old代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_old；
S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的a，记为a_new；
S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到0.5之间使系统容量最大的b，记为b_new；
S205：将a_new和b_new代入系统遍历容量的近似表达式，求出此时的系统容量C_new；
S206：判断∣C_new-C_old∣≤ε是否成立；
S207：如果∣C_new-C_old∣≤ε不成立，则将a_new和b_new的值分别给a_old和b_old；
S208：如果∣C_new-C_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。
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