CN110049452B - 基于noma的新型两阶段合作多播方案 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方案，包括以下步骤：系统将每帧分为两个时隙；在每帧的第一时隙，基站发送NOMA叠加信号给主级多播组和次级多播组，主级多播组中的第一类中继转发接收到的NOMA叠加信号给主级多播组中的远端用户和次级多播组中的远端用户；在每帧的第二时隙，次级多播组中的第二类中继将解码后的主级多播组的信号发送给主级多播组中的远端用户和次级多播组中远端用户，主级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并解码，次级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并解码。通过在多播系统中引入了NOMA技术，有效提高了两阶段合作多播的效率，使用两个时隙进行协作传输，显著提升了系统总体吞吐量。

Description

基于NOMA的新型两阶段合作多播方案
技术领域
本发明涉及一种合作多播方案，具体的说是一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方案，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着宽带数据服务的快速发展,移动终端用户数量的急剧增加，导致了频谱资源正变得日益紧张，所以蜂窝网络急需一些先进技术来获取高容量宽带接入。由于多媒体服务仍然在移动数据增长中占主导，提供有限带宽内高质量的多媒体服务成为了热点话题，NOMA技术是5G中非常有前景的技术，它是一种非正交多址接入技术，它提供了更高的频谱利用率，更高的公平性，更低的时延，更高的吞吐量增益，可以实现在同一资源块内传输多个用户的信号，这种资源可以是时间、功率等。无线多播也是无线传输中的一种提高频谱效率的有效方式，多播服务是无线网络中进行一对多传输的方式，服务提供商能够为多个用户同时发送多媒体数据。传统的多播方案存在资源利用率低、系统总速率受限于多播组内信道条件最差的用户的接收速率、多播组组间的资源调度不均和多播组组内资源分配不合理等问题，难以达到公平性和总吞吐量之间的平衡并获得最佳收益。
针对传统多播传输存在的问题，"Performance of Quantize-Map-Forward BasedCooperative Multicast Systems With Successive Relaying,"(in IEEECommunications Letters,vol.20,no.11,pp.2257-2260,Nov.2016.)中提出一种同时满足公平性与吞吐量要求的方案，方案利用合作多播(Cooperative Multicast，CM)完成资源调度，其在传统多播系统中引入一个线性中继协作的概念，多播组内用户利用中继转发的信号提升多播系统数据传输速率。"Power allocation and performance analysis of thecollaborative NOMA assisted relaying systems in 5G,"(in China Communications,vol.14,no.1,pp.50-60,Jan.2017.)中提出利用近端用户来补偿远端用户的协作中继传输方案，相较于传统的NOMA方案提高了系统的总速率但是系统的频谱效率没有得到充分利用。"A Novel Spectrum Sharing Scheme Assisted by Secondary NOMA Relay,"(inIEEE Wireless Communications Letters,vol.7,no.5,pp.732-735,Oct.2018.)研究的基于NOMA技术的合作多播，用以同时服务两个用户从而提高系统的频谱效率和系统总速率。
合作多播是一种为了提高多播组传输总速率而提出的解决方案，其将传输分成多个阶段，如图1所示，为两阶段合作多播方案。在第一阶段，基站(Base Station，BS)进行高速率广播，多播组内部分移动端(Mobile Stations，MSs)成功接收数据后成为成功移动端(Successful MSs，SMSs)将在第二阶段作为用户中继(User Relays，URs)转发数据给剩余未成功接收数据的移动端(UnsuccessfulMSs，UMSs)。这种合作多播方案可以有效减小路径损失并获得分集增益，提升了系统整体性能，但存在如下问题：
在传统合作多播的第二阶段中，只有作为中继的用户发送信息，整个系统只有部分时间在工作，而另一部分时间只是用于完成URs的数据转发工作，这造成了系统的资源利用率不高，系统的总吞吐量有待提升。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出了一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方案，以提高两阶段合作多播的效率，提升系统总体吞吐量。
本发明提供一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方案，包括以下步骤：系统将每帧分为两个时隙；在每帧的第一时隙，基站发送NOMA叠加信号给主级多播组和次级多播组，主级多播组中的第一类中继转发接收到的NOMA叠加信号给主级多播组中的远端用户和次级多播组中的远端用户；在每帧的第二时隙，次级多播组中的第二类中继将解码后的主级多播组的信号发送给主级多播组中的远端用户和次级多播组中远端用户，主级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并解码，次级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并解码。
作为本发明的进一步技术方案，所述基站发送NOMA叠加信号给主级多播组和次级多播组时根据NOMA准则进行功率分配，主级多播组到基站的距离大于次级多播组到基站的距离，基站分配给主级多播组的功率大于分配给次级多播组的功率。
进一步的，所述第一类中继的选择方法如下：
设定信道质量阈值，根据设定的信道质量阈值从主级多播组内选出一组成功接收基站发送的NOMA叠加信号的用户组G1，再通过算法从用户组G1中选出第一类中继。
进一步的，所述第二类中继的选择方法如下：
设定信道质量阈值，根据设定的信道质量阈值从次级多播组内选出一组成功接收基站发送的NOMA叠加信号的用户组G2，再通过算法从用户组G2中选出第二类中继。
进一步的，在每帧的第一时隙，所述第一类中继为全双工模式，所述第一类中继放大并转发接收到的NOMA叠加信号。
进一步的，在每帧的第二时隙，所述第二类中继为半双工模式，所述第二类中继解码NOMA叠加信号后转发其中的主级多播组的信号。
进一步的，所述基站在发送完NOMA叠加信号后处于待机状态。
进一步的，所述主级多播组中的远端用户和次级多播组中的远端用户都将基站发送的信号视为弱干扰信号。
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：本发明在两阶段合作多播的基础上，针对原始系统频谱利用率不高的问题，引入了NOMA技术，使得基站可以在一帧中同时为两个多播组服务，提高了系统的频谱效率。又提出一种中继选择算法，提高了系统的总吞吐量。在方案的应用场景中，基站在完成第一阶段广播数据发送后停止工作，主多播组中的URs在此阶段将叠加信号放大后转发出去，在第二阶段由次多播组中的URs转发解码后的主多播组信号。多播组中信道较差的用户，其吞吐量在本方案中将得到极大的提升，通过具体的新的中继传输策略解决远端用户的数据接收问题。
附图说明
图1是两阶段合作多播模型示意图。
图2是本发明基于NOMA的新型两阶段合作多播方案示意图。
图3是一帧下三扇区的蜂窝小区基于NOMA的新型两阶段合作多播方案模型示意图。
图4是第一帧下三扇区的蜂窝小区基于NOMA的新型两阶段合作多播方案信号发送示意图。
图5是一帧周期下远端用户数据接收结果示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本实施例提出了一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方案，如图2所示，主多播组内远端用户UEa1,UEa2,...,UEam必须通过用户中继UR1转发基站发送来的叠加信号和UR2发送的信号合并后解码自身信号。次多播组内远端用户UEb1,UEb2,...,UEbl需利用UR1发送的NOMA叠加信号和UR2发送的已解码信号合并后使用SIC解码自身信号。下面以系统在第n帧的两个时隙的数据传输为例来说明本发明方案的过程。两多播组内远端用户都视基站发送的信号为弱干扰信号。
具体发明方案如下所示。
步骤一、当系统处于第n帧的第1时隙时，系统中的各个实体的操作如下：
1)基站广播san+sbn信息。
2)根据设定的信道质量阈值从主级多播组内选出一组成功接收基站发送来的叠加信号的用户组G1。通过算法从中选出一个用户，在此用户本身接收SINR要尽可能的高，但同时也要保证此用户转发的信号可以使远端用户的接收SINR达到规定阈值。
3)第一类用户中继UR1在该时隙发送信号san+sbn，此信号是基站广播的NOMA层叠信号。
步骤二、当系统处于第n帧的第2时隙时，系统中的各个实体的操作如下：
1)从次多播组内选出一组可以成功解码本多播组信号的用户，将其记为子组G2。通过算法从中选出一个用户，在此用户本身的接收SNIR尽可能高，同时也要保证此用户转发的信号可以使远端用户的接收SINR达到规定阈值。
2)第二类用户中继UR2在该时隙发送已解码的主多播组的信息San。
3)主多播组内远端用户将两个时隙收到的用户中继转发来的信号合并后直接解码本多播组的信号San。
4)次多播组内的远端用户使用UR1转发的NOMA叠加信号和UR2转发的信号使用SIC解码信息Sbn。
设置基站在帧F1，F2，…，Fn的每个帧的第一个时隙进行高速率广播，取蜂窝小区其中一个扇区为例，扇区内UR1与UR2为两个用户中继，
Figure BDA0002033532800000054
Figure BDA0002033532800000053
UR1和UR2将在对应时隙进行多播数据转发。G1与G2中用户和基站间的信道链路条件都较为良好，其信道系数Ham＝{Ha1,Ha2,...,Han}，Hbm＝{Hb1,Hb2,...,Hbn}，并满足
Figure BDA0002033532800000051
以及
Figure BDA0002033532800000052
其中ε为阴影衰落系数，g为频率选择性衰落系数，l为路径损耗，σa为次级多播组内SINR阈值，σb为主多播组内的SINR阈值，σa和σb均为固定值。蜂窝小区共包含L1个主多播组和L2个次多播组，在主多播组Mam中，m＝{1,2,...L,，用户UEam为一个信道链路质量较差的远端用户，在次多播组Mbl中，l＝{1,2,...,L2}，用户UEbl为一个信道链路质量较差的远端用户。
假设在三扇区蜂窝小区内基站按时隙广播数据，如图3所示。将每个帧周期分为两个时隙TS1和TS2，基站完成的数据发送如表1，Si为单位功率下发送的数据信号，i＝[1,2,...,n-2,n-1,n]。
表1
Figure BDA0002033532800000061
区别于其他方案，UR1与BS之间以及UR2与BS之间的信道质量不会受到远端MSs的影响，在实际处理中将设置信道质量阈值，选择信道质量大于阈值的用户形成中继组G1与G2，再通过算法从中选择出一个用户来作为中继，从而保证UR1与UR2的成功接收和转发数据概率。两类用户中继分别对应表示为第一类UR1[fa1,fa2,...,fan]和第二类UR2[fb1,fb2,...,fbn]，并且两类中继对应不同的数据收发状态如图3所示。UR1及UR2的对应发送状态如表2。
表2
Figure BDA0002033532800000062
蜂窝小区内MSs根据数据接收状况分为SMSs和UMSs，UMSs为信道链路质量较差的远端用户，必须通过用户中继UR1和UR2转发基站发送的广播NOMA叠加信息或者是次多播组的信息。远端用户将接收来自两类用户中继的转发数据，主多播组与次多播组内用户都视基站发送的信号为弱干扰信号，主多播组内远端用户UEam，m＝[1,2,...,n]，次多播组内远端用户UEbl，l＝[1,2,...,n]的数据接收状态如表3。表中BS，UR1，UR2所在行为发送数据信号，UEam以及UEbl所在行为数据信号接收。
表3
Figure BDA0002033532800000071
下面将以远端用户UEa1与UEb1为例，说明信号接收状况。
如图4中，用虚线箭头代表用户中继转发的信号，实线代表BS发送的信号。
1.进入F1-TS1阶段
用户UEm与用户UEl未能成功接收BS广播的NOMA叠加数据，因而作为边缘UMS。此时UR1、UR2成功接收BS数据信号Sa1+Sb1。图中红色实线代表基站广播的信号，用户UEa1与用户UEb1将此信号作为弱干扰信号。因为UR1工作在全双工模式，所以UR1在第一时隙收到BS广播的NOMA信号的同时将接收到的NOMA叠加信号转发出去，红色虚线代表UR1转发的信号，UEam与UEb1均收到了转发信号。
2.进入F1-TS2阶段
图中用红色虚线标出UR2转发的已解码的主多播组的信号，此时，UEam与UEb1均收到了转发信号。此时，UEam使用利用收到的UR1转发的NOMA信号和UR2转发的信号合并后解码自身信号，UEb1使用将第一时隙UR1转发的NOMA信号和第二时隙UR2转发的信号合并后进行SIC解码。
图5最下两行所示为经过第一帧帧周期的两阶段合作多播，远端用户UEam与UEb1的数据接收结果。
综上所述，本发明因为在多播系统中引入了NOMA技术，有效提高了两阶段合作多播的效率，提升资源利用率。我们使用两个时隙进行协作传输，这提高了两个多播组内信道质量较差的远端用户的吞吐量，主多播组吞吐量获得了更高的增益。同时本方案显著提升了系统总体吞吐量。
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 (8)

1.一种基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于包括以下步骤：
系统将每帧分为两个时隙；
在每帧的第一时隙，基站发送NOMA叠加信号给主级多播组和次级多播组，主级多播组中的第一类中继转发接收到的NOMA叠加信号给主级多播组中的远端用户和次级多播组中的远端用户；
在每帧的第二时隙，次级多播组中的第二类中继将解码后的主级多播组的信号发送给主级多播组中的远端用户和次级多播组中远端用户，主级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并解码，次级多播组的远端用户接收第一类中继和第二类中继的信号并使用SIC技术解码。
2.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于：所述基站发送NOMA叠加信号给主级多播组和次级多播组时根据NOMA准则进行功率分配，主级多播组到基站的距离大于次级多播组到基站的距离，基站分配给主级多播组的功率大于分配给次级多播组的功率。
3.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于，所述第一类中继的选择方法如下：
设定信道质量阈值，根据设定的信道质量阈值从主级多播组内选出一组成功接收基站发送的NOMA叠加信号的用户组G1，再通过算法从用户组G1中选出第一类中继。
4.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于，所述第二类中继的选择方法如下：
设定信道质量阈值，根据设定的信道质量阈值从次级多播组内选出一组成功接收基站发送的NOMA叠加信号的用户组G2，再通过算法从用户组G2中选出第二类中继。
5.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于：在每帧的第一时隙，所述第一类中继为全双工模式，所述第一类中继放大并转发接收到的NOMA叠加信号。
6.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于：在每帧的第二时隙，所述第二类中继为半双工模式，所述第二类中继解码NOMA叠加信号后转发其中的主级多播组的信号。
7.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于：所述基站在发送完NOMA叠加信号后处于待机状态。
8.根据权利要求1所述的基于NOMA的新型两阶段合作多播方法，其特征在于：所述主级多播组中的远端用户和次级多播组中的远端用户都将基站发送的信号视为弱干扰信号。
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