CN109168194B - 基于动态用户的上行noma系统中发射功率确定方法 - Google Patents

基于动态用户的上行noma系统中发射功率确定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法。包括以下步骤：基站确定用户到基站间距离的统计特性并将相应信息反馈给用户，用户根据接收到的距离的统计特性确定发射功率并将信号发送到基站，基站对用户进行SIC解码。与现有技术相比，基站不需要实时地反馈用户到基站间的具体距离，只需要向用户反馈距离的统计特性，在减少系统开销的同时保证了用户的中断性能。

Description

基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法
技术领域
本发明涉及一种无线通信技术领域的方法，具体是一种基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法。
背景技术
随着智能终端的普及，移动宽带业务迅速增长，据预测，未来10年移动流量将增加1000倍。为了满足急剧增长的流量需求，第5代移动通信(5G)的容量预计也将增长1000倍。非正交多址接入(NOMA)是5G中比较有前景的技术之一。NOMA比传统的正交多址接入(OMA)具有更高的频谱效率，因为NOMA允许多个用户共用同一个频谱资源，对不同信道条件的用户分配不同的功率，通过发送端的重叠编码(SC)和接收端的串行干扰删除(SIC)技术提高频谱利用率，可以显著地提高系统容量，满足5G急剧增长的流量需求。
经对现有技术文献的检索发现，Yichen Gao等人在《IEEE COMMUNICATIONSLETTERS OCTOBER 2017,pp.2246-2249》上发表了题为“Theoretical Analysis of theDynamic Decode Ordering SIC Receiver for Uplink NOMA Systems”一文，该文提出了一种根据用户的瞬时接收功率，在接收端进行动态顺序解码的SIC方法。Guocheng Lv等人在《IET Communications April 2018,pp.649-655》上发表了题为“Dynamic resourceallocation for uplink nonorthogonal multiple access systems”一文，详细研究了上行场景中的SIC解码顺序、子载波分配、功率分配等问题。但是以上的文章考虑的都是上行NOMA系统中用户位置不发生变化时的情况，都是根据用户的具体位置信息确定的发射功率，没有考虑到用户为动态分布时的发射功率确定方法。在基于动态用户的系统中，如果基站仍然将具体位置信息实时地反馈给用户，势必会增加系统开销。
发明内容
为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法。基站确定用户到基站间距离的统计特性并将相应信息反馈给用户，用户根据接收到的距离的统计特性确定发射功率并将信号发送到基站，基站对用户进行SIC解码。基站不需要实时地向用户反馈具体距离，节省系统开销的同时保证了用户的中断性能。
本发明是通过以下技术方案实现的：
系统模型如图1所示，基站位于圆形区域的中心且基站可以准确地获得用户的信道状态信息。所有用户位于同一小区内，Π为包含所有用户的集合，用户A,B....∈Π分布在从基站向外扩散的一个个圆环区域内。假设用户π到基站的距离表示为rπ。考虑到实际场景中用户大都在办公室、教室、家等地点活动，所以本发明仅针对每个用户的分布区域内外边界值相差不大(Rπ1-Rπ0＜10)时的情况，因此距离的平均值与具体值相差不大。用户A,B....复用在一个NOMA系统中，频带带宽归一化为1，每个用户配有一个单天线。
信道模型由瑞利衰落和路径损耗组成，路径损耗与用户到基站间的具体距离有关，且各用户信道是相互独立的，那么用户π到基站的信道参数可以表示为
Figure BDA0001858589060000021
其中π＝A,B....∈Π，|gπ|2表示瑞利衰落信道增益，服从参数为1的指数分布，rπ为用户π到基站间的距离，α是路径衰落指数。
第一步，基站确定用户到基站间距离的统计特性并将相应信息反馈给用户：
基站根据用户的分布统计出用户到基站间距离的统计特性并反馈给相应用户。
所述的用户到基站间距离的统计特性是距离的概率密度函数，为
Figure BDA0001858589060000022
其中，rπ为用户π到基站间的距离，Rπ0,Rπ1分别表示用户π所在的以基站为中心的圆环区域的内半径和外半径。
本发明指的是在某一时间段内所有用户的分布都不发生变化时的情况，因此不需要考虑基站多久反馈一次对系统性能的影响。
第二步，用户根据接收到的距离的统计特性确定发射功率并将信号发送到基站：
用户根据基站反馈的用户到基站距离的统计特性，计算出rπ的平均值
Figure BDA0001858589060000023
同时利用功率控制技术，确定发射功率，向基站发送相应的信息。
所述的用户π的发射功率为
Figure BDA0001858589060000031
其中
Figure BDA0001858589060000032
β为功率控制参数，用于补偿用户的路径损耗。注意到β∈[0,1]，β越大，发射功率对路径损耗的补偿越大。当β＝0时，系统中不同用户的发射功率相同，用户没有对路径损耗进行补偿；当β∈(0,1)时，发射功率对路径损耗进行部分补偿；当β＝1时，路径损耗完全被补偿，基站接收到的不同用户的功率服从相同的分布。
第三步，基站对用户进行SIC解码：
基站处用户π的信号瞬时功率可以表示为
Figure BDA0001858589060000033
基站将接收到的不同用户的信号按功率大小进行降序排序，并按这个顺序进行解码。用Ω表示所有可能的解码顺序的集合，ω1,ω2,ω3...∈Ω。在特定的解码顺序ωm中，基站对各个用户进行SIC解码。当基站解第i个用户的信号时，先解码并重建前面(i-1)个用户的信号，然后从混合信号中减去它们，最后将剩余用户的信号当作干扰对第i个用户进行解码。
与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：
基站在距离的统计特性不发生变化的时候只向用户反馈距离的统计特性，在后面的信息传输中，用户根据距离的统计特性确定发射功率，基站不需要实时地反馈具体距离，在节省系统开销的同时可以保证用户的中断性能。
附图说明
图1是系统模型示意图，
图2是根据距离的具体值和统计特性确定发射功率时的中断概率对比图。
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说明。
本实施例考虑的是图1所示系统模型中用户数为2时的情况。基站位于圆形区域的中心且基站可以准确地获得用户的信道状态信息。所有用户位于同一小区内，Π为包含所有用户的集合，用户A,B∈Π分布在从基站向外扩散的一个个圆环区域内。假设用户π到基站的距离表示为rπ。考虑到实际场景中用户大都在办公室、教室、家等地点活动，所以本发明仅针对每个用户的分布区域内外边界值相差不大(Rπ1-Rπ0＜10)时的情况，因此距离的平均值与具体值相差不大。用户A,B复用在一个NOMA系统中，频带带宽归一化为1，每个用户配有一个单天线。
信道模型由瑞利衰落和路径损耗组成，路径损耗与用户到基站间的具体距离有关，且各用户信道是相互独立的，那么用户π到基站的信道参数可以表示为
Figure BDA0001858589060000041
其中π＝A,B∈Π，|gπ|2表示瑞利衰落信道增益，服从参数为1的指数分布，rπ为用户π到基站间的距离，α是路径衰落指数。
第一步，基站确定用户到基站间距离的统计特性并将相应信息反馈给用户：
基站根据用户的分布统计出用户到基站间距离的统计特性并反馈给相应用户。
所述的用户到基站间距离的统计特性是距离的概率密度函数，为
Figure BDA0001858589060000042
其中，rπ为用户π到基站间的距离，Rπ0,Rπ1分别表示用户π所在的以基站为中心的圆环区域的内半径和外半径。
第二步，用户根据接收到的距离的统计特性确定发射功率并将信号发送到基站：
用户根据基站反馈的用户到基站距离的统计特性，计算出rπ的平均值
Figure BDA0001858589060000043
同时利用功率控制技术，确定发射功率，向基站发送相应的信息。
所述的用户π的发射功率为
Figure BDA0001858589060000044
其中
Figure BDA0001858589060000045
β为功率控制参数，用于补偿用户的路径损耗。注意到β∈[0,1]，β越大，发射功率对路径损耗的补偿越大。当β＝0时，系统中不同用户的发射功率相同，用户没有对路径损耗进行补偿；当β∈(0,1)时，发射功率对路径损耗进行部分补偿；当β＝1时，路径损耗完全被补偿，基站接收到的不同用户的功率服从相同的分布。
第三步，基站对用户进行SIC解码：
基站处用户π的信号瞬时功率可以表示为
Figure BDA0001858589060000051
基站将接收到的不同用户的信号按功率大小进行降序排序，并按这个顺序进行解码。若用户A到达基站的信号瞬时功率大于用户B到达基站的信号瞬时功率，基站先将用户B的信号当作干扰信号来解用户A，如果用户A被成功解码，基站将用户A的信号从混合信号中去除，再解用户B的信号，此时用户B没有干扰信号(不考虑信道固有白噪声的话)。
使用matlab软件对所述系统模型中用户数为2时的用户中断概率进行蒙特卡罗仿真。RA0＝40,RA1＝45,RB1＝60,令用户B和用户A的活动范围面积相同得到RB0的值，信道衰落指数α设置为2，功率控制参数β的取值为0.8。考虑到许多场景如物联网在上行链路NOMA系统中所需的数据速率通常是固定且较小的，令用户A、用户B的预设数据速率分别为0.8bps/Hz，0.3bps/Hz。信噪比定义为
Figure BDA0001858589060000052
其中
Figure BDA0001858589060000053
为基站接收到的用户A和用户B的信号平均功率。图2中信噪比作为横坐标，对比了根据距离的具体值和统计特性确定发射功率时的用户中断概率。
令SNR＝15、用户B的分布不变且用户B根据具体距离确定发射功率、
Figure BDA0001858589060000054
固定为42、RA1不断扩大，则RA0相应减小，其他参数不变。表1示出了随着用户A分布区域的扩大，用户A通过两种方式确定发射功率时的中断概率。
结合图2和表1可以看出，当用户的分布区域内外边界值相差不大(本发明专利考虑的是Rπ1-Rπ0＜10的情况)，即平均距离与具体距离相差较小时，通过具体距离和距离的统计特性确定发射功率获得的中断性能差异可以忽略。说明本文提出的基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法，可以在减少系统开销的同时保证用户的中断性能。
表1用户A分布区域扩大，中断概率的变化
Figure BDA0001858589060000061
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.基于动态用户的上行NOMA系统中发射功率确定方法，其特征在于，所述动态用户复用在一个NOMA系统中，包括如下步骤：
步骤1：基站确定用户到基站间距离的统计特性并反馈给用户；
步骤2：用户根据接收到的距离的统计特性确定发射功率并将信号发送到基站；
步骤3：基站对用户进行SIC解码；
步骤1中，所述距离的统计特性为距离的概率密度函数，为
Figure FDA0003012905420000011
其中，rπ为用户π到基站间的距离，Rπ0,Rπ1分别表示用户π所在的以基站为中心的圆环区域的内半径和外半径；
步骤2中，所述发射功率为：
Figure FDA0003012905420000012
其中，
Figure FDA0003012905420000013
β为功率控制参数，用于补偿用户的路径损耗；α是路径衰落指数；
步骤3中，基站处用户π的信号瞬时功率表示为
Figure FDA0003012905420000014
其中，|gπ|2表示瑞利衰落信道增益，服从参数为1的指数分布；基站将接收到的不同用户的信号瞬时功率进行降序排序，并按该顺序进行SIC解码。
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