CN109391977A - 一种基于中继选择和能量收集的noma系统多用户性能分析方法 - Google Patents

一种基于中继选择和能量收集的noma系统多用户性能分析方法 Download PDF

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Abstract

本发明的一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法属于无线通信数据传输领域，解决现有技术中SIC的处理使得NOMA系统精确的误码性能分析较为困难的问题，具体步骤为：S1、BS发射多用户叠加信号给中继：估计BS与不同中继之间的信道质量，根据信道幅值排序选择最好的中继；根据用户信道排序结果，分配每个用户需要叠加的功率系数；S2、最优中继从BS收集一定比例的能量，然后利用收集的能量放大转发剩余能量的BS信号给多个用户；S3、用户端，获得各用户统一的解析PEP表达式：基于中继信道和用户信道的顺序统计量，利用相关的数学处理，计算出适合于每个用户的统一的解析PEP表达；S4、验证各用户仿真PEP和解析PEP的一致性，确定最优的能量收集功率因子，分析用户功率分配系数对各用户误码性能的影响，比较最优中继和次优中继的性能差异，完成性能分析。

Description

一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析 方法
技术领域
本发明属于无线通信数据传输领域，特别是涉及一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法。
背景技术
非正交多址(NOMA)的关键思想是同时同频服务多个用户通信，提高频谱效率和终端的连接性，是第五代无线通信系统较有前景的技术之一。其中，功率域NOMA通过调节功率分配系数，控制用户之间的干扰，维持用户性能的公平性。信道质量差的用户，分配较高的功率系数，信道质量好的用户，分配低的功率系数，每个用户的接收机利用串行干扰消除(SIC)检测出自己的信号。
协作通信与NOMA结合可以提高空间自由度，即使是利用单天线的节点，协作NOMA是NOMA技术的一个比较活跃的研究方向。在现有的基于中继的NOMA系统性能研究中，大多数是研究中断概率和可实现的和速率性能。鉴于不同的研究出发点和场景，有的作者证明中断概率主要取决于目标数据速率和用户的分配功率；有的文章考虑瞬时的和平均的信道增益，研究不同功率分配场景下的和速率及中断概率性能；有的利用动态的功率分配系数，在用户公平和系统整体吞吐量之间进行折中。当NOMA系统中有多个中继时，需要进行中继选择，选择的目的是提高分集增益，降低中断概率。此外，有的学者考虑把无线能量收集和信息传送应用在协作NOMA系统中，中继本身没有能量，需要收集来自BS的能量去传送信号。
然而当前对于NOMA系统误码性能分析的文章几乎没有，尤其是结合同时的无线能量收集与传输(SWIPT)来研究系统性能，因为SIC的处理使得NOMA系统精确的误码率BER分析较为困难，尤其是考虑不完美的干扰消除带来的影响时。不过，成对误差概率(PEP)性能是相对容易分析的，PEP既可以用来作为BER的一个上限，为系统误码性能提供一个有用的参考，也可以利用PEP-SNR曲线的斜率来研究可实现的分集增益。因此，本发明提供一种基于中继选择和能量收集的NOMA用户误码性能分析方法。
发明内容
对于NOMA系统大多数研究是针对中断概率和可实现的和速率性能进行研究，误码性能分析的研究报道几乎没有，尤其是结合中继选择和无线能量收集与传输(SWIPT)等技术，来研究分析系统的误码性能。因为SIC的处理使得NOMA系统精确的误码率BER分析较为困难，尤其是考虑不完美的干扰消除带来的影响时的问题，本发明旨在提供一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，通过获得确切的多用户PEP闭式表达式，探索最优及次优中继的选择对误码性能的影响，功率分配系数对误码性能的影响。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，按照以下步骤实现：
S1、BS发射多用户叠加信号给中继：估计BS与不同中继之间的信道质量，根据信道幅值排序选择最好的中继；根据用户信道排序结果，分配每个用户需要叠加的功率系数；
S2、最优中继按一定的比例从BS收集能量，然后放大转发剩余能量的BS信号给用户；
S3、用户端，获得各用户的解析PEP表达式：基于中继信道和用户信道的顺序统计量，利用相关的数学处理，计算每个用户的PEP，计算过程分为以下几个步骤：
S301、对第k个用户，获得SIC操作后的接收表达式，考虑不完美的SIC；
S302、给定信道幅值，由PEP定义，获得条件PEP的Q误差函数表达式；
S03、基于瑞利信道下排序的信道统计量即排序的概率密度函数(PDF)，利用二重积分和二项式分解，计算出PEP的解析闭式表达式；
S4、验证各用户仿真PEP和解析PEP的一致性，比较最优中继和次优中继的性能差异，完成性能分析。
进一步地，S1的具体做法为：
对最优中继与不同用户之间的信道质量从低到高进行排序，相应的功率系数从高到低进行分配，即信道质量最差的用户，分配最高的功率系数；BS把叠加后的信号传送给最优中继，其中αk表示第k用户的功率分配系数，且K是NOMA系统总用户数，P是BS发射总功率。
进一步地，S2中中继采用放大转发AF方式，AF放大因子Gr考虑平均的能量收集，也是就是放大因子与信道的瞬时状态无关，与中继信道的方差λr、噪声方差和能量收集功率因子ρ有关，即Pr＝ηρλrP表示中继收集的平均能量，η表示能量转换效率。
进一步地，S3的具体计算步骤如下：
S301、在用户端，每个用户已知所有用户的检测顺序，对第k个用户进行串行干扰消除(SIC)，k＝2,…,K，考虑不完美的SIC。第k个用户的接收信号可以为其中，已检测用户的干扰消除误差hr表示从BS到所选择的最优中继之间的信道增益，hk是选择的中继与第k用户之间的信道增益。需要说明的是用户1(k＝1)把所有的干扰当作噪声，不需要SIC，在yk的表达式中，为0；
S302、根据PEP的定义，发射符号xk被错误检测成的概率为
展开上式中的模平方，给定信道的幅值，利用噪声的正态分布，条件PEP可以进一步表示为其中，ωk＝|hk|，ωr＝|hr|，
接下来，利用二重积分，获得无条件的PEP表达式
考虑独立同分布的瑞利衰落信道，利用二项式分解，第m个中继信道和第k个用户信道的排序的概率密度函数(PDF)fm(ωr)和fk(ωk)分别表示为
其中
最优中继的选择：假定第M个中继是最佳中继，则M＝arg max|hm|，令hr＝hM，
其中
S303、计算上述二重积分，得出适合于每个用户的统一的解析闭式PEP表达：
其中，系数bk＝K′M′uk，K′＝K-k+l+1，M′＝M-m+i+1，Kv(·)表示第二类修正的v阶贝塞尔函数。
本发明提出基于中继选择的NOMA系统多用户性能分析方法，考虑的NOMA协作系统所涉及的中继选择和用户检测过程，均需要信道排序。基于各信道的排序统计量和相关的数学理论，推导出可靠的解析的PEP表达式，与相应的Monte Carlo仿真性能一致，可直接用来分析NOMA系统的误码性能上限，同时为NOMA系统用户功率分配系数、能量收集功率因子等参数的确定提供理论上的有价值的参考。此外，也可以客观评估不同中继选择对系统性能造成的影响。这种误码分析方法复杂度低，利用解析的误码闭式表达，使得多用户性能分析简便可靠。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
图1为本发明实施例总流程示意图。
图2为本发明能量收集功率因子ρ的确定。
图3为本发明NOMA用户功率分配系数为[0.680.240.08]的平均PEP曲线。
图4为本发明NOMA用户功率分配系数为[0.70.20.1]的平均PEP曲线。
图5为本发明最优中继和次优中继的三用户性能对比曲线。
具体实施方式
为使本发明的目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
如图1所示，本发明的一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，按照以下步骤实现：
S1、BS发射多用户叠加信号给中继：估计BS与不同中继之间的信道质量，根据信道幅值排序选择最好的中继；根据用户信道排序结果，分配多个用户需要叠加的功率系数，具体做法是对最优中继与不同用户之间的信道质量从低到高进行排序，相应的功率系数从高到低进行分配；BS把叠加后的信号传送给最优中继，其中αk表示第k用户的功率分配系数，且K是NOMA系统总用户数，P是BS发射总功率。
S2、本发明考虑的最优中继可以具有能量收集和传输功能，中继本身没有能量，需要从BS收集一定比例的能量，同时利用收集来的能量转发它接收的信号给用户，采用较为简单的放大转发(AF)方式，AF放大因子Gr考虑平均的能量收集，也是就是放大因子与信道的瞬时状态无关，与中继信道的方差λr、噪声方差和能量收集功率因子ρ有关，即
S3、用户端，获得各用户的解析PEP表达式：基于中继信道和用户信道的顺序统计量，利用相关的数学处理，计算每个用户的PEP。计算过程分为以下几个步骤：
S301、在用户端，每个用户已知所有用户的检测顺序，对第k个用户进行串行干扰消除(SIC)，k＝2,…,K，考虑不完美的SIC。第k个用户的接收信号可以为其中，已检测用户的干扰消除误差hr表示从BS到所选择的最优中继之间的信道增益，hk是选择的中继与第k用户之间的信道增益。需要说明的是用户1(k＝1)把所有的干扰当作噪声，不需要SIC，在yk的表达式中，
S302、根据PEP的定义，发射符号xk被错误检测成的概率为
展开上式中的模平方，给定信道的幅值，利用噪声的正态分布，条件PEP可以进一步表示为其中，ωk＝|hk|，ωr＝|hr|，
接下来，利用二重积分，获得无条件的PEP表达式
考虑独立同分布的瑞利衰落信道，利用二项式分解，第m个中继信道和第k个用户信道的排序的概率密度函数(PDF)fm(ωr)和fk(ωk)分别表示为
其中
最优中继的选择：假定第M个中继是最佳中继，则M＝arg max|hm|，令hr＝hM，
其中
S303、计算上述二重积分，得出适合于每个用户的统一的解析闭式PEP表达：
其中，系数bk＝K′M′uk，K′＝K-k+l+1，M′＝M-m+i+1，Kv(·)表示第二类修正的v阶贝塞尔函数。
S4、验证各用户仿真PEP和解析PEP的一致性，比较最优中继和次优中继的性能差异，完成性能分析。
图2给出了能量收集功率因子ρ的确定方法。以纵坐标PEP为误码性能指标，图中考虑了两种信噪比SNR场景15dB和25dB，综合每个用户在这两个SNR下的性能表现，ρ＝0.5,0.6均是较令人满意的选择。
本发明通过分析和推导NOMA系统的误码性能，借助推导的解析PEP误码表达式，可以验证功率分配系数αk的选择对误码性能的影响。图3和图4分别给出了NOMA系统K个用户(K＝3)的功率分配系数为[0.680.240.08]和[0.70.20.1]时的平均PEP曲线。首先，观察到的是每个用户的解析PEP理论表达式(Anal.PEP)，与相应的Monte Carlo(Simu.PEP)仿真性能完全一致。接着，对比这两副图，图3中用户2的功率分配系数从0.24降为图4中的0.2，用户1和3各增加0.02，图4显示了用户2的性能显著下降。因此，每个用户功率分配系数的微小调整对所有用户的性能都具有很重要的影响。选择功率分配系数时，需要考虑不同用户的业务需求，兼顾用户之间的公平。本发明所提出的性能分析方法可为NOMA系统选择合适的功率分配系数提供理论上的支持与参考。
图5给出了本发明所提出的不同用户不同中继选择的性能影响。NOMA系统中可供选择的中继总数量M固定，在图5中可以看到选择最优中继(记为1st best)，次优中继(2ndbest,3rd best)所带来的误码性能差异。实际信道是时变的，由于信道估计误差和信道质量信息反馈延时，会造成选择的最优中继可能不是最优的，如果选择到次优中继，会造成误码性能出现不同程度的下降。本仿真可以看出，中继选择对信道质量最差的用户1(U1)影响最小。对信道质量最好的用户3(U3)影响最大，尤其是信噪比SNR比较高的情况下。本发明方案通过误码分析，可以评估最优和次优中继选择带来的性能影响。
上面结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下作出各种变化。

Claims (4)

1.一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，其特征在于，按照以下步骤实现：
S1、BS发射多用户叠加信号给中继：估计BS与不同中继之间的信道质量，根据信道幅值排序，选择最好的中继；根据用户信道排序结果，分配每个用户需要叠加的功率系数；
S2、最优中继从BS按照预定的比例系数收集能量，然后利用收集的能量放大转发BS信号给用户；
S3、用户端，获得各用户的解析PEP表达式：基于中继信道和用户信道的顺序统计量，利用相关的数学处理，计算每个用户的PEP，计算过程分为以下几个步骤：
S301、对第k个用户，获得SIC操作后的接收表达式，考虑不完美的SIC；
S302、给定中继和用户信道幅值，由PEP定义，获得条件PEP的Q误差函数表达式；
S303、利用瑞利信道下排序的中继和用户信道的PDF统计量和二重积分，计算出PEP的解析闭式表达式；
S4、验证各用户仿真PEP和解析PEP的一致性，比较最优中继和次优中继的性能差异，完成性能分析。
2.根据权利要求1所述的一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，其特征在于：S1的具体做法为：
对最优中继与不同用户之间的信道质量从低到高进行排序，相应的用户功率系数从高到低进行分配，即信道质量最差的用户，分配最高的功率系数；BS把叠加后的信号传送给最优中继，其中，αk表示第k用户的功率分配系数，且K是NOMA系统总用户数，P是BS发射总功率。
3.根据权利要求1所述的一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，其特征在于：S2中中继采用放大转发AF方式，AF放大因子Gr计算考虑平均的能量收集，也是就是放大因子与信道的瞬时状态无关，与最优中继信道的方差λr、噪声方差和能量收集功率因子ρ有关，即Pr＝ηρλrP表示中继收集的平均能量，η表示能量转换效率。
4.根据权利要求1所述的一种基于中继选择和能量收集的NOMA系统多用户性能分析方法，其特征在于：S3的具体计算步骤如下：
S301、在用户端，每个用户已知所有用户的检测顺序，对第k个用户进行串行干扰消除(SIC)，k＝2,…,K，考虑不完美的SIC。第k个用户的接收信号可以为其中，已检测用户的干扰消除误差hr表示从BS到所选择的最优中继之间的信道增益，hk是选择的中继与第k用户之间的信道增益。需要说明的是用户1(k＝1)把所有的干扰当作噪声，不需要SIC，在yk的表达式中，为0；
S302、根据PEP的定义，发射符号xk被错误检测成的概率为
展开上式中的模平方，给定信道的幅值，利用噪声的正态分布，条件PEP可以进一步表示为其中，ωk＝|hk|，ωr＝|hr|，
接下来，利用二重积分，获得无条件的PEP表达式
考虑独立同分布的瑞利衰落信道，利用二项式分解，第m个中继信道和第k个用户信道的排序的概率密度函数(PDF)fm(ωr)和fk(ωk)分别表示为
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最优中继的选择：假定第M个中继是最佳中继，则M＝arg max|hm|，令hr＝hM，
其中
S303、计算上述二重积分，得出适合于每个用户的统一的解析闭式PEP表达：
其中，系数bk＝K′M′uk，K′＝K-k+l+1，M′＝M-m+i+1，Kv(·)表示第二类修正的v阶贝塞尔函数。
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