CN109714817A - 使用noma和d2d组的通信系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使用NOMA和D2D组的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蜂窝用户、D2D发送端、以及中继处的发送信噪比；基站根据所收到的信息求出系统中断概率，基于中断概率最小化，计算在D2D发送端和中继处最优的功率分配系数，并分别转发给D2D发送端和中继；D2D发送端利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到中继；中继收到传来的信号后，利用所获得的最优功率分配系数，采用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用户组与蜂窝用户复用上行频谱资源的情况，通过功率分配使得系统的中断概率最小，提高了系统性能。

Description

使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种一种通信系统，具体的说是一种通信系统功率分配方法，属于资源分配技术领域。

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；但是在引入中继的同时，D2D传输由一个时隙变为两个时隙，这就导致了频谱资源利用率的下降。

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，提出一种使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，可很容易求出最优功率分配的系数，减少了计算的复杂度。

本发明提供一种使用NOMA和D2D组的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)通信的单小区蜂窝系统，该系统包括一个基站、一个蜂窝用户、一个中继和一个D2D用户组，该D2D用户组包含1个D2D发送端和2个D2D接收端，其中一个D2D接收端与D2D发送端的距离是另一个D2D接收端与D2D发送端的距离的三倍以上，分别成为远接收端和近接收端；使用中继的D2D用户组通过使用非正交多址(NOMA)的方式与一个蜂窝用户复用上行频谱资源，基于最小化系统中断概率的原则来进行功率分配；在系统的一个传输周期内，D2D传输平均分为两个时隙，第一时隙，D2D发送端发送混合信号到中继，第二时隙，中继将收到的信号转发到D2D的两个接收端；在整个传输周期内，蜂窝用户一直在向基站传输信息；

该通信系统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蜂窝用户、D2D发送端、以及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中断概率，基于中断概率最小化，计算在D2D发送端和中继处最优的功率分配系数，并将它们分别转发给D2D发送端和中继；

S3：D2D发送端利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到中继；

S4：中继收到传来的信号后，利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。

作为本发明的进一步限定：在S1步骤中，所述的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h_ij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D，R1，R2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D远接收端，D2D近接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道。

作为本发明的进一步限定：在S2步骤中，系统的中断概率可以看作由两个信号的中断概率组合而成，两个信号分别为D2D发送端通过中继发送到D2D远接收端的信号，用x₁表示，以及到D2D近接收端的信号，用x₂表示，中继采用DF模式，工作在半双工方式。

作为本发明的进一步限定：在S2步骤中，发送的信号是将信号x₁和信号x₂混合起来的，在D2D发送端分配给信号x₁和x₂的功率占总功率的比值分别为a₁和a₂，在中继处分配给信号x₁和x₂的功率占总功率的比值分别为b₁和b₂，且a₁+a₂＝1，b₁+b₂＝1。

作为本发明的进一步限定：在S2步骤中，所述的中断概率表达式如下：总的中断概率可以分为两部分，信号x₁，x₂的中断概率表达式分别如下：

总的中断概率表示为：P_out＝1-(1-P_out1)(1-P_out2)

其中m₁＝β_CRρ_C,n₁＝β_DRρ_D,m₂＝β_C1ρ_C,n₂＝β_R1ρ_R,m₃＝β_C2ρ_C,n₃＝β_R2ρ_R,其中ρ_C，ρ_D，ρ_R分别为蜂窝用户，D2D发送端，中继处的发送信噪比，β_ij指设备i到设备j的大尺度衰落系数，γ₁和γ₂分别是信号x₁和x₂是否中断的判决门限值，小于该阈值，则视为信号传输中断；因为D2D发送端，中继，蜂窝用户的发送信噪比是已知并且固定的，且a₁+a₂＝1，b₁+b₂＝1，所以系统容量的表达式是一个关于a₁和b₁的二元函数。

作为本发明的进一步限定：在S2步骤中，所述的基站对表达式进行分析，得到最优的功率分配系数a₁和b₁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代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_old；

S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的a，记为a_new；

S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的b，记为b_new；

S205：将a_new和b_new代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_new；

S206：判断∣P_new-P_old∣≤ε是否成立；

S207：如果∣P_new-P_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∣P_new-P_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：本发明提供的方法计算复杂度低，通过采用多个D2D接收端来提高系统的和容量，采用此方法能够得到系统最小的中断概率；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，在计算出系统中断概率的表达式后，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，适用于D2D组与蜂窝用户复用上行频率的情况。

附图说明

图1为本发明的一种使用NOMA和D2D组的通信系统场景模型图。

图2为本发明的一种使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法的流程图。

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。

本发明揭示了一种使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，该方法适用于带有D2D通信的单小区蜂窝系统，该系统包括一个基站，一个蜂窝用户，一个中继和一个D2D用户组；如图1所示，该D2D用户组包含1个D2D发送端和2个D2D接收端，两个D2D接收端与D2D发送端的距离差别很大。使用中继的D2D用户组通过NOMA的方式与一个蜂窝用户复用上行频谱资源，基于最小化系统中断概率的原则来进行功率分配；在系统的一个传输周期内，D2D传输平均分为两个时隙，第一时隙，D2D发送端发送混合信号到中继，第二时隙，中继将收到的信号转发到D2D的两个接收端；在整个传输周期内，蜂窝用户一直在向基站传输信息。

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蜂窝用户、D2D发送端、以及中继处的发送信噪比；在S1步骤中，所述的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h_ij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D，R1，R2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D远接收端，D2D近接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道；

S2：基站根据S1步骤所收到的信息求出系统总的中断概率，基于中断概率最小化，计算在D2D发送端和中继处最优的功率分配系数，并将它们分别转发给D2D发送端和中继，总的中断概率由两个信号的中断概率组合而成；两个信号分别为D2D发送端通过中继发送到D2D远接收端的信号，用x₁表示，以及到D2D近接收端的信号，用x₂表示，中继采用DF模式，工作在半双工方式，发送的信号是将信号x₁和信号x₂混合起来的，这里采用信号x₁与总信号的功率比作为功率分配系数，在D2D发送端和中继处采用的功率分配系数是不同的，分别用a和b表示，信号x₁，x₂的中断概率表达式分别如下：

总的中断概率表示为：P_out＝1-(1-P_out1)(1-P_out2)

其中m₁＝β_CRρ_C,n₁＝β_DRρ_D,m₂＝β_C1ρ_C,n₂＝β_R1ρ_R,m₃＝β_C2ρ_C,n₃＝β_R2ρ_R,其中ρ_C，ρ_D，ρ_R分别为蜂窝用户，D2D发送端，中继处的发送信噪比，β_ij指设备i到设备j的大尺度衰落系数，γ₁和γ₂分别是信号x₁和x²是否中断的判决门限值，小于该阈值，则视为中断；

S3：D2D发送端利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到中继；

S4：中继收到传来的信号后，利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到蜂窝用户和D2D接收端。

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代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_old；

S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的a，记为a_new；

S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的b，记为b_new；

S205：将a_new和b_new代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_new；

S206：判断∣P_new-P_old∣≤ε是否成立；

S207：如果∣P_new-P_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∣P_new-P_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。

这里对中断概率表达式进行分析时，假设D2D发送端，中继，蜂窝用户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。

该方法采用了D2D组的概念，D2D组是指一个D2D发射机能够通过NOMA协议与多个D2D接收机通信，由于有多个接收端，因而能很好的提高系统容量，文中考虑两个的情况，并提供了一种基于NOMA的中继辅助D2D通信系统功率分配方法，基于最小化系统中断概率的原则来进行功率分配，得出最优的功率分配方法。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种使用NOMA和D2D组的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)通信的单小区蜂窝系统，该系统包括一个基站、一个蜂窝用户、一个中继和一个D2D用户组，该D2D用户组包含1个D2D发送端和2个D2D接收端，其中一个D2D接收端与D2D发送端的距离是另一个D2D接收端与D2D发送端的距离的三倍以上，分别成为远接收端和近接收端；使用中继的D2D用户组通过使用非正交多址(NOMA)的方式与一个蜂窝用户复用上行频谱资源，基于最小化系统中断概率的原则来进行功率分配；在系统的一个传输周期内，D2D传输平均分为两个时隙，第一时隙，D2D发送端发送混合信号到中继，第二时隙，中继将收到的信号转发到D2D的两个接收端；在整个传输周期内，蜂窝用户一直在向基站传输信息；

该通信系统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蜂窝用户、D2D发送端、以及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中断概率，基于中断概率最小化，计算在D2D发送端和中继处最优的功率分配系数，并将它们分别转发给D2D发送端和中继；

S3：D2D发送端利用所获得的最优功率分配系数，采用NOMA方案发送信号到中继；

S4：中继收到传来的信号后，利用所获得的最优功率分配系数，采用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所述的使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，其特征在于：在S1步骤中，所述的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h_ij表示设备i与设备j之间的信道增益，i和j为B，C，R，D，R1，R2时分别表示基站，蜂窝用户，中继，D2D发送端，D2D远接收端，D2D近接收端，将这些设备之间的信道建模为瑞利信道。

3.根据权利要求2所述的使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，系统的中断概率可以看作由两个信号的中断概率组合而成，两个信号分别为D2D发送端通过中继发送到D2D远接收端的信号，用x₁表示，以及到D2D近接收端的信号，用x₂表示，中继采用DF模式，工作在半双工方式。

4.根据权利要求3所述的使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，发送的信号是将信号x₁和信号x₂混合起来的，在D2D发送端分配给信号x₁和x₂的功率占总功率的比值分别为a₁和a₂，在中继处分配给信号x₁和x₂的功率占总功率的比值分别为b₁和b₂，且a₁+a₂＝1，b₁+b₂＝1。

5.根据权利要求4所述的使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，所述的中断概率表达式如下：总的中断概率可以分为两部分，信号x₁，x₂的中断概率表达式分别如下：

总的中断概率表示为：P_out＝1-(1-P_out1)(1-P_out2)

其中m₁＝β_CRρ_C,n₁＝β_DRρ_D,m₂＝β_C1ρ_C,n₂＝β_R1ρ_R,m₃＝β_C2ρ_C,n₃＝β_R2ρ_R,其中ρ_C，ρ_D，ρ_R分别为蜂窝用户，D2D发送端，中继处的发送信噪比，β_ij指设备i到设备j的大尺度衰落系数，γ₁和γ₂分别是信号x₁和x₂是否中断的判决门限值，小于该阈值，则视为信号传输中断；因为D2D发送端，中继，蜂窝用户的发送信噪比是已知并且固定的，且a₁+a₂＝1，b₁+b₂＝1，所以系统容量的表达式是一个关于a₁和b₁的二元函数。

6.根据权利要求5所述的使用NOMA和D2D组的通信系统功率分配方法，其特征在于：在S2步骤中，所述的基站对表达式进行分析，得到最优的功率分配系数a₁和b₁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代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_old；

S203：将b固定为b_old，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的a，记为a_new；

S204：将a固定为a_new，通过一维搜索找出0到1之间使中断概率最小的b，记为b_new；

S205：将a_new和b_new代入系统中断概率的表达式，求出此时的中断概率P_new；

S206：判断∣P_new-P_old∣≤ε是否成立；

S207：如果∣P_new-P_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∣P_new-P_old∣≤ε成立，则迭代算法结束，保存当前的a_new和b_new。