CN109587810A - 上行noma通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于无线通信技术领域，公开了一种上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法；基站根据移动台上报的各移动台与基站之间的信道状态信息对移动台进行分组，从中选择组间相关度最小的一种分组方式；基站依据各分组信道增益的大小对各分组进行降序排列，采用迫零接收的方式对信道增益最大的分组的信号进行解码，同时对组内干扰进行抑制；对于先恢复出的分组的用户信号，采用串行干扰消除的方式将其从基站接收到的混合信号中消去。对于其余的待解用户信号分组，基站进行与上述相同的操作，直至所有分组的信号都被恢复。本发明通过合理的用户分组实现NOMA多用户上行传输中的干扰管理，能够改善系统的频谱效率。

Description

上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法。
背景技术
目前，业内常用的现有技术是这样的：非正交多址接入技术(Non-OrthogonalMultiple Access,NOMA)是下一代5G无线通信技术中的关键技术之一，是很有前途的多址技术，用于提高无线通信系统的容量。与正交多址(OMA)技术相比，NOMA允许更多数量的用户同时连接到无线网络，在上行和下行通信中获得更大的吞吐量。NOMA的基本原理是通过功率域或码域(为用户分配不同的稀疏码，称为稀疏码多址接入(SCMA))在发端进行多路复用以及在接收端进行串行干扰消除(SIC)来实现为多个用户同时提供通信服务。文献一针对NOMA上行链路提出了一种适用于多天线基站场景的NOMA方案，其中用户终端在单个子载波上进行数据发送，基站对用户进行配对，并使用串行干扰消除(SIC)检测每对用户的信号，根据该文的研究，使用具有多项式复杂度的匈牙利算法可以实现最佳的用户配对。然而这一方法获得的最佳用户配对集没有考虑干扰管理，因此会导致较差的系统频谱效率。文献二考虑了多输入多输出(MIMO)技术在NOMA系统中的应用，提出一种新的MIMO-NOMA预编码和检测矩阵设计方案，并研究了用户配对对MIMO-NOMA系统性能的影响。文献三提出了一种新的具有组间干扰消除技术的NOMA实施方案。该方法对属于同一组的用户的预编码器进行联合设计，并利用NOMA原理区分不同组的用户，能够最小化总的发射功率。文献四提出了一种基于非正交多址的下行多用户波束成形(NOMA-BF)方案，旨在增强系统总容量。根据所提NOMA-BF方法，配对的两个用户共享同一波束成形(BF)向量，从而可以增加系统可支持用户的数量。
综上所述，现有技术存在的问题是：
(1)现有的NOMA用户配对方法主要关注两个用户构成一个NOMA分组的情况，较少涉及对多个用户构成NOMA分组的情况的研究，提升系统性能的效果不明显。
(2)现有的NOMA分组方法主要考虑分组间相互干扰的影响，而忽略了组内信号之间的相互干扰，使得组内干扰制约系统性能，这一方法实施的干扰管理存有缺陷，可能会使最终恢复出的信号与原始发送信号相比偏差过大，影响到整个系统的性能。
(3)NOMA-BF允许两个用户分享同一个BF矢量。但是在模拟波束成形中，移相器工作在高频段，信号损耗较大，并且高频移相器相位分辨率较低。而在数字波束成形中，每一路数据流的发送都需要射频(RF)链路，同时每一路都需要额外的数字/模拟转换器来处理信号，增大了硬件复杂度。
解决上述技术问题的难度和意义：解决上述技术问题的难度是需要考虑如何设计更好的用户分组方案，使多用户之间的干扰——包括分组间的干扰和分组内部的干扰——得到有效的管理和抑制，同时又必须保证恢复出的信号真实准确；意义是本方法可以兼顾组间干扰和组内干扰进行用户分组，每个分组可以包含超过2个用户，既实现了有效的干扰管理，又提高了系统的频谱效率，而且能够在接收天线的要求和信号处理的复杂性之间进行灵活的折中，从而促进方法的实现和部署。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法。
本发明是这样实现的，一种上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法，所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法包括：基站根据移动台上报的各移动台与基站之间的信道状态信息对移动台进行分组，从中选择组间相关度最小的一种分组方式；基站依据各分组信道增益的大小对各分组进行降序排列，采用迫零接收的方式对信道增益最大的分组的信号进行解码，同时对组内干扰进行抑制；对于先恢复出的分组的用户信号，采用串行干扰消除的方式将其从基站接收到的混合信号中消去；对于其余的待解用户信号分组，基站进行与上述相同的操作，直至所有分组的信号都被恢复。
进一步，所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法包括以下步骤：
第一步，移动台估计各自与基站之间的信道状态信息并上报基站，基站根据该信息对移动台进行分组，并通过遍历确定组间相关度最小的一种分组方式；
第二步，基站计算各用户分组包含的信号的总信道增益，并依据信道增益的大小对分组进行降序排列；
第三步，基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内干扰；
第四步，基站采用串行干扰消除将先恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去；
第五步，基站判断是否还有待解信号，若仍有待解信号，执行第三步，否则执行第六步；
第六步，算法结束。
进一步，所述第一步具体包括：
(1)基站广播导频信号，移动台Txk(k＝1,2,…,6)根据导频信号估计基站到Txk的信道状态信息hk，移动台Txk选择一个低速无差错链路，将基站到移动台的信道信息hk反馈给基站；
(2)基站对6个移动台进行分组，每组包含的用户数至多为3个，一共分为组，2个用户分组可以记为G1,G2。分组方式共有种；
(3)系统的组间相关度可以由计算得到，其中<hk,hk′>表示向量hk和hk′的內积；基站遍历(1)中获得的每一种分组方式，计算其组间相关度，并确定组间相关度最小的的一种分组方式记为
进一步，所述第二步具体包括：
(1)基站计算两个用户分组包含的信号的总信道增益，其中各分组的信道增益可以由计算得到；
(2)基站根据分组信道增益的大小对两个分组进行降序排列，记为并定义待解用户信号分组集合
进一步，所述第三步具体包括：
(1)基站选取集合Ω中的第一个元素分组，采用迫零接收的方法对包含的信号进行恢复；
(2)基站采用迫零接收的方法抑制所选分组的组内干扰。
进一步，所述第四步具体包括：
(1)基站采用串行干扰消除将已恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，并从集合Ω中减去已恢复的分组，对Ω进行更新；
(2)基站判断Ω是否为空，若为空则执行(3)，否则执行基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内信号之间的干扰；基站采用串行干扰消除将已恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，并从集合Ω中减去已恢复的分组，对Ω进行更新；
(3)算法结束。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法的无线通信系统。
本发明的另一目的在于提供一种应用于所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法的非正交多址接入通信系统。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本方法利用多天线配置的阵列处理能力，可以兼顾组间干扰和组内干扰进行用户分组，每个分组可以包含超过2个用户，既实现了有效的干扰抑制和消除，又提高了系统的频谱效率，而且能够在接收天线的要求和信号处理的复杂性之间进行灵活的折中，从而促进其实现和部署。为使结果更加直观明了，表1从不同角度将本发明方法与现有方法进行了对比，如下表所示：
表1
附图说明
图1是本发明实施例提供的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法流程图。
图2是本发明实施例提供的行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法实现流程图。
图3是本发明实施例提供的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法实现流程图。
图4是本发明实施例提供的上行NOMA通信系统模型图。
图5是本发明实施例提供的基于图4系统在不同信噪比条件下，对比本发明方法与一种无干扰管理的NOMA用户方法的系统频谱效率的MATLAB仿真图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明兼顾组间干扰和组内干扰进行用户分组，每个分组可以包含超过2个用户，既实现了有效的干扰管理，同时提高了系统的频谱效率。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法包括以下步骤：
S101：基站根据移动台上报的各移动台与基站之间的信道状态信息对移动台进行分组，从中选择组间相关度最小的一种分组方式；
S102：基站依据各分组信道增益的大小对各分组进行降序排列，采用迫零接收(ZF)的方式对信道增益最大的分组的信号进行解码，同时对组内干扰进行抑制；
S103：对于先恢复出的分组的用户信号，采用串行干扰消除(SIC)的方式将其从基站接收到的混合信号中消去；对于其余的待解用户信号分组，基站进行与上述相同的操作，直至所有分组的信号都被恢复。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
如图2所示，本发明实施例提供的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法包括以下步骤：
(1)移动台估计各自与基站之间的信道状态信息并上报基站，基站根据该信息对移动台进行分组，并通过遍历确定组间相关度最小的一种分组方式；
(2)基站计算各用户分组包含的信号的总信道增益，并依据信道增益的大小对分组进行降序排列；
(3)基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内干扰；
(4)基站采用串行干扰消除将先恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去；
(5)基站判断是否还有待解信号，若仍有待解信号，执行(3)，否则执行(6)；
(6)算法结束。
如图4所示，本发明使用的系统模型为上行NOMA通信系统中，由K＝6个移动台，1个基站组成，基站配置Nr＝3根接收天线。
如图3所示，本发明的实现步骤如下：
步骤一，基站根据移动台上报的移动台与基站之间的信道状态信息将6个移动台分为2个小组，每组内的移动台数目不超过基站天线数，基站遍历每一种分组方式，并确定组间相关度最小的一种分组方式，实现步骤为：
(1)基站广播导频信号，移动台Txk(k＝1,2,…,6)根据导频信号估计基站到Txk的信道状态信息hk，移动台Txk选择一个低速无差错链路，将基站到移动台的信道信息hk反馈给基站；
(2)基站对6个移动台进行分组，每组包含的用户数至多为3个，一共可以分为组，2个用户分组可以记为G1,G2。分组方式共有种；
(3)系统的组间相关度可以由计算得到，其中<hk,hk′>表示向量hk和hk′的內积。基站遍历(1)中获得的每一种分组方式，计算其组间相关度，并确定组间相关度最小的的一种分组方式记为
步骤二，基站计算两个用户分组包含的信号的总信道增益，并依据信道增益的大小对分组进行降序排列，实现步骤为：
(1)基站计算两个用户分组包含的信号的总信道增益，其中各分组的信道增益可以由计算得到；
(2)基站根据分组信道增益的大小对两个分组进行降序排列，记为并定义待解用户信号分组集合
步骤三，基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内信号之间的干扰，实现步骤为：
(1)基站选取集合Ω中的第一个元素分组，采用迫零(ZF)接收的方法对其包含的信号进行恢复；
(2)基站采用迫零(ZF)接收的方法抑制所选分组的组内干扰。
步骤四，基站采用串行干扰消除(SIC)将先恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，基站判断是否还有待解信号，若仍有待解信号，返回步骤三，否则算法结束，实现步骤为：
(1)基站采用串行干扰消除(SIC)将已恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，并从集合Ω中减去已恢复的分组，对Ω进行更新；
(2)基站判断Ω是否为空，若为空则执行(3)，否则执行步骤三；
(3)算法结束。
下面结合仿真对本发明的应用效果作详细的描述。
1、仿真条件：
仿真对象：本发明提供的兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法与NOMA系统中无干扰管理的用户配对方法。
仿真参数：移动台数量K＝6，所有移动台采用相同的功率PT，各个移动台向基站发送单路数据，信噪比10lg的取值范围为[0,30]dB，为加性高斯白噪声功率。基站天线数Nr＝3。
2、仿真内容及分析：
当K＝6，Nr＝3，信噪比取[0,30]dB时，采用MATLAB对系统的频谱效率进行仿真，其结果如图5所示，其中，纵轴表示频谱效率，横轴表示信噪比。由仿真图可以看出，NOMA的系统频谱效率随着信噪比的增加而增长，其中本发明方法明显优于背景技术部分中的文献一所提到的无干扰管理的NOMA用户配对方法，因为它有效地管理了组内和组间干扰。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法，其特征在于，所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法在一个多用户上行NOMA通信系统中，基站首先根据移动台上报的各移动台与基站之间的信道状态信息对移动台进行分组，从中选择组间相关度最小的一种分组方式；然后，基站依据各分组信道增益的大小对各分组进行降序排列，采用迫零接收的方式对信道增益最大的分组的信号进行解码，同时对组内干扰进行抑制；对于先恢复出的用户分组的信号，采用串行干扰消除的方式将其从基站接收到的混合信号中消去；对于其余的待解用户信号分组，基站进行与上述相同的操作，直至所有分组的信号都被恢复。
2.如权利要求1所述的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法，其特征在于，所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法具体包括以下步骤：
步骤一：基站根据移动台上报的各移动台与基站之间的信道状态信息将全体移动台分为多个小组，每组内的移动台数目不超过基站天线数，基站遍历每一种分组方式，并确定组间相关度最小的一种分组方式；
步骤二：基站计算各用户分组包含的信号的总信道增益，并依据信道增益的大小对分组进行降序排列；
步骤三：基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内信号之间的干扰；
步骤四：基站采用串行干扰消除将先恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，基站判断是否还有待解信号，若仍有待解信号，返回步骤三，否则算法结束。
3.如权利要求2所述的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法，其特征在于，所述步骤一具体包括：
(1)基站广播导频信号到移动台，移动台Txk根据导频信号估计基站到Txk的信道状态信息hk，移动台Txk使用一个低速无差错链路，将基站到移动台的信道信息hk反馈给基站；
(2)基站对K个移动台进行分组，每组包含的用户数至多为Nr个，Nr为基站天线数，一共可以分为组，其中表示向上取整，定义NG个用户分组记为分组方式共有种，其中K-(NG-2)Nr>Nr且K-(NG-1)Nr<Nr；在前NG-1组中，每组包含Nr个用户，剩余的K-(NG-1)Nr个用户归为第NG组；
(3)采用hk作为基站接收到的来自移动台Txk的信号的空间特征，如果Txk使用了预编码pk对发送数据xk进行预处理，那么基站接收到的来自移动台Txk的信号的空间特征应为hkpk；基站根据式计算系统的组间相关度，其中<hk,hk′>表示向量hk和hk′的內积，| |2表示求模值的平方；基站遍历(1)中获得的每一种分组方式，计算其组间相关度，并确定组间相关度最小的一种分组方式，记为
4.如权利要求2所述的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法，其特征在于，所述步骤二具体包括：
(1)基站计算各用户分组包含的信号的总信道增益，其中各分组的信道增益可以由计算得到；
(2)将分组依据信道增益的大小进行降序排列，记为并定义待解用户信号分组集合
5.如权利要求2所述的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法，其特征在于，所述步骤三具体包括：
(1)基站选取集合Ω中的第一个元素分组，采用迫零接收的方法对其包含的信号进行恢复；
(2)基站采用迫零接收的方法抑制所选分组的组内干扰。
6.如权利要求2所述的上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理的用户分组方法，其特征在于，所述步骤四具体包括：
(1)基站采用串行干扰消除将已恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，并从集合Ω中减去已恢复的分组，对Ω进行更新；
(2)基站判断Ω是否为空，若为空则执行(3)，否则执行基站在待解分组中选择信道增益最大的一组，采用迫零接收方式对其包含的用户信号进行恢复，并抑制组内信号之间的干扰；基站采用串行干扰消除将已恢复的用户分组的信号从基站接收到的混合信号中消去，并从集合Ω中减去已恢复的分组，对Ω进行更新；
(3)算法结束。
7.一种应用权利要求1～6任意一项所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法的无线通信系统。
8.一种应用权利要求1～6任意一项所述上行NOMA通信系统中兼顾组内和组间干扰管理用户分组方法的非正交多址接入通信系统。
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