CN110113118A - 一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，包括以下步骤：1)按照各用户的链路增益绝对值从大到小的顺序进行排序；2)按照首尾顺序将排序后的用户每两个用户分为一组；3)对首尾两个用户组根据链路增益差最大化原则生成2个两用户簇C₁和C₂，其余用户组将组序号为偶数的用户顺序插入到用户簇C₁中，将组序号为奇数的用户顺序插入到用户簇C₂中；4)计算非正交多址和正交多址接入方式下，两用户簇中各用户的吞吐量之和S_非正交、S_正交，当S_非正交＞S_正交时，完成分簇，当S_非正交＜S_正交时，则进行步骤5)；5)按照步骤2)‑4)的分簇方法继续分对当前用户簇内的用户簇进行分簇，直至完成分簇。与现有技术相比，本发明具有提高蜂窝小区中间用户的吞吐量，提高系统吞吐量等优点。

Description

一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法

技术领域

本发明涉及5G移动通信技术领域，尤其是涉及一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法。

背景技术

NOMA技术由于其高频谱效率而被看作是第5代(5G)无线移动通信的候选接入技术之一。NOMA系统子信道是基于LTE系统下行链路的正交频分复用(OFDM)多址接入方式，NOMA系统中各子信道之间的干扰可忽略，但同一子信道由多个用户共享，在发送端对共享同一子信道的各用户采用功率复用技术，各用户信号根据分得的发射功率进行叠加，然后经信道到达接收端。串行干扰删除(SIC)接收机在接收端按用户功率由大到小的顺序，依次采用多用户检测算法对用户信号进行检测、重构和消除。

非正交多址接入中，多个用户信号在发送端进行功率域复用，并共用同一子信道，从而用户分簇和功率分配方案的选择成为研究的热点。合理的用户分簇方案可以有效提高系统吞吐量。

经对现有NOMA系统下行链路用户分簇方案的文章检索发现，文献M.S.Ali,H.Tabassum,E.Hossain.Dynamic user clustering and power allocation for uplinkand downlink non-orthogonal multiple access(NOMA)systems[J].(IEEE Access,2016,4:6325-6343)中的用户分簇方案根据链路增益差最大化原则，将用户分组后从每组中选出一个用户共同构成用户簇，这种分簇方案易将小区内具有中等信道质量指示(CQI)的中间用户分到同一个用户簇，而小区中间用户之间干扰较为严重，不利于接收端的干扰消除。

文献M.B.Shahab,M.Irfan,M.F.Kader,et al.User pairing schemes forcapacity maximization in non-orthogonal multiple access systems[J].(WirelessCommunications and Mobile Computing,2016,16(17):2884-2894)中提出混合用户分簇方案，在解决小区中间用户干扰问题的同时又提高了边缘用户的吞吐量，但中间用户的吞吐量有待提高。

文献M.B.Shahab,Soo Young Shin.A Time Sharing Based Approach toAccommodate Similar Gain Users in NOMA for 5G Networks.(IEEE 42nd Conferenceon Local Computer Networks Workshops(LCN Workshops).2017:142-147)中提出了基于时隙共享的用户分簇方案以提高具有相似链路增益用户的吞吐量，但时域资源和频域资源在用户间的合理分配问题尚未解决。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，包括以下步骤：

1)NOMA蜂窝系统中蜂窝小区的中心基站获取各用户的链路增益h_n，并且按照链路增益绝对值从大到小的顺序进行排序，并采用序列UE_n(n＝1,2,3,......,N)进行编号，其中，N为用户总数；

2)按照首尾顺序将排序后的用户每两个用户分为一组，得到T组用户组；

3)对首尾两个用户组中的用户根据链路增益差最大化原则生成2个两用户簇C₁＝{UE_1,1,UE_T,1},C₂＝{UE_1,2,UE_T,2}，其中，UE_1,1为第一个用户组中的第一个用户，UE_T,1为第T个用户组中的第一个用户，对于除首尾之外的其余用户组，将组序号为偶数的用户顺序插入到用户簇C₁中，将组序号为奇数的用户顺序插入到用户簇C₂中；

4)计算非正交多址和正交多址接入方式下，用户簇C₁和C₂中各用户的吞吐量之和S_非正交、S_正交，当S_非正交＞S_正交时，完成分簇，当S_非正交＜S_正交时，则进行步骤5)；

5)按照步骤2)-4)的分簇方法继续分对当前用户簇内的用户簇进行分簇，直至完成分簇。

所述的步骤1)中，定义序列UE_n中，链路增益最大的两个用户为中心用户，链路增益最小的两个用户为边缘用户，其余用户为中间用户。

所述的步骤2)中，用户组组数T满足：

其中，表示向下取整运算，且在第一次分簇时，参与分组的用户数＝系统总用户数N。

所述的步骤4)中，计算各用户的吞吐量之和具体为：

设用户簇内含有K个用户，在NOMA系统下行链路中该用户簇的K个用户共享信道带宽为B的子信道，基站在发送端对K个用户的信号进行叠加，并在接收端采用串行干扰删除技术对接收信号进行检测，h_k为用户簇内第k个用户的链路增益，且|h₁|>|h₂|>|h₃|>······|h_K|，则有：

其中，ρ为基站发送端的信噪比，a_k为用户簇内第k个用户的功率分配因子，b_k为用户簇内第k个用户在正交多址接入方式下的功率分配因子。

所述的步骤4)中，当用户组组数T为偶数时，用户簇C₁和C₂中的用户数均为T，当用户组组数T为奇数时，用户簇C₁中的用户数为T+1，用户簇C₂中的用户数为T-1。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本方法先对希望取得服务的所有用户按其链路增益从大到小顺序地每两个用户构成一个用户组，并对各用户组顺序编号，然后对首尾用户组中的用户采用链路增益差最大化原则得到两个用户簇，并将剩余各用户组内的用户按所在组序号的奇偶性分别顺序地插入到已有两个用户簇内的两个用户当中，当单个用户簇中非正交多址接入方式下各用户的吞吐量之和小于正交多址接入方式下各用户吞吐量之和时，对该用户簇内的用户根据之前的方法再次进行分簇，直到所得单个用户簇内各用户的吞吐量之和大于正交多址接入方式下此簇内各用户吞吐量之和，因此，本发明的用户分簇方法有效的提高了中间用户的吞吐量。

附图说明

图1为本发明中希望取得服务的用户数为N时的分簇结果。

图2为假设系统用户数为12时的分簇结果图。

图3为本发明的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

本发明将系统用户中链路增益最大的两个用户定义为中心用户，链路增益最小的两个用户定义为边缘用户，其余用户都为中间用户。如图3所示，本发明的具体方法为：

a)设NOMA蜂窝系统一个蜂窝小区的中心基站周围有N个用户希望取得服务；

b)中心基站先获取各系统用户的链路增益h_n；再将系统用户按照其|h_n|的值由大到小的顺序排序，并用UE_n(n＝1,2,3,……,N)对应编号；

c)将排序后的用户每两个用户分成一组，共有组，符号表示对A下取整，用G_t表示第t个用户组，G_t＝{UE_2t-1,UE_2t},t＝1,2,3,......,T；

d)对第1个用户组中的用户和第T个用户组中的用户采用链路增益差最大化原则，得到两个2用户簇C₁＝{UE_1,1,UE_T,1},C₂＝{UE_1,2,UE_T,2}；

e)对第2到T-1个用户组，将组序号为偶数的用户顺序地插入到用户簇C₁已有的两个用户中；组序号为奇数的用户顺序地插入到用户簇C₂已有的两个用户中；

f)计算NOMA方式、正交多址接入方式下用户簇中各用户的吞吐量之和，分别记为S_非正交、S_正交；

g)若S_正交<S_非正交，分簇结束；若S_正交>S_非正交，则进行步骤h)；

h)按照步骤c)～步骤g)的方法，对该用户簇内用户继续分簇，具体为：

该步骤基于第一次分簇所得用户簇C_i,i＝1,2内的用户进行分簇，首先将用户簇C_i,i＝1,2中的用户顺序地每两个用户分成一组，再将第一组用户和最后一组用户采用链路增益差最大化原则，得到两个2用户簇C_i,1,C_i,2,i＝1,2，接着将剩余用户组，偶数组加入用户簇C_i,1,i＝1,2，奇数组加入C_i,2,i＝1,2，得到二次分簇后的用户簇C_i,1,C_i,2,i＝1,2，最后分别计算NOMA方式、正交多址接入方式下二次分簇后的用户簇中各用户的吞吐量之和，并进行判断。

此外，当用户组数T为偶数时，用户簇C_i,i＝1,2中的用户数均为T，当用户组数T为奇数时，用户簇C₁中的用户数为T+1，用户簇C₂内的用户数为T-1；

步骤f)中，用户簇在NOMA和正交多址接入下的吞吐量计算公式为：

设K个用户构成一个用户簇，NOMA系统下行链路中K个用户共享信道带宽为B的子信道；基站在发送端对K个用户的信号进行功率域叠加发送，并在接收端采用串行干扰删除技术对接收信号进行检测；h_k代表簇内第k个用户的链路增益，设|h₁|>|h₂|>|h₃|>······|h_K|，则：

式中，ρ代表基站发送端的信噪比，a_k是用户簇内第k个用户的功率分配因子；b_k是用户簇内第k个用户在正交多址接入方式下的功率分配因子。

如图1和2所示，NOMA系统下行链路用户分簇方案的一个实例，假设系统用户数为12。具体步骤如下：

a)中心基站先获取各系统用户的链路增益h_n，其中h_n服从均值为0，方差为λ_n＝d_n ^-v的复高斯分布，v是路径损耗指数，此处v＝4；d_n是用户n到中心基站的归一化距离；再将系统用户按照其|h_n|的值由大到小的顺序排序，并用UE_n(n＝1,2,3,……,12)对应编号；

b)将排序后的用户每两个用户分成一组，共有6组，用G_i表示第t个用户组，则G_t＝{UE_2t-1,UE_2t},t＝1,2,3,......,6；

c)对第1个用户组中的用户和第6个用户组中的用户采用链路增益差最大化原则，得到两个2用户簇；此时所得两个用户簇为C₁＝{UE₁,UE₁₂},C₂＝{UE₂,UE₁₁}；

d)对第2到5个用户组，将偶数组的用户加入C₁，奇数组的用户加入C₂，此时两个用户簇具体为C₁＝{UE₁,UE₃,UE₄,UE₇,UE₈,UE₁₂},C₂＝{UE₂,UE₅,UE₆,UE₉,UE₁₀,UE₁₁}。

经计算簇C₁，C₂中用户在NOMA和正交多址情况下的吞吐量S_非正交，S_正交，有簇C₁，C₂用户吞吐量均分别满足S_非正交>S_正交，故实例情况结果即为得到簇C₁，C₂。

Claims (5)

1.一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)NOMA蜂窝系统中蜂窝小区的中心基站获取各用户的链路增益h_n，并且按照链路增益绝对值从大到小的顺序进行排序，并采用序列UE_n(n＝1,2,3,......,N)进行编号，其中，N为用户总数；

2)按照首尾顺序将排序后的用户每两个用户分为一组，得到T组用户组；

3)对首尾两个用户组中的用户根据链路增益差最大化原则生成2个两用户簇C₁＝{UE_1,1,UE_T,1},C₂＝{UE_1,2,UE_T,2}，其中，UE_1,1为第一个用户组中的第一个用户，UE_T,1为第T个用户组中的第一个用户，对于除首尾之外的其余用户组，将组序号为偶数的用户顺序插入到用户簇C₁中，将组序号为奇数的用户顺序插入到用户簇C₂中；

4)计算非正交多址和正交多址接入方式下，用户簇C₁和C₂中各用户的吞吐量之和S_非正交、S_正交，当S_非正交＞S_正交时，完成分簇，当S_非正交＜S_正交时，则进行步骤5)；

5)按照步骤2)-4)的分簇方法继续分对当前用户簇内的用户簇进行分簇，直至完成分簇。

2.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，其特征在于，所述的步骤1)中，定义序列UE_n中，链路增益最大的两个用户为中心用户，链路增益最小的两个用户为边缘用户，其余用户为中间用户。

3.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，其特征在于，所述的步骤2)中，用户组组数T满足：

其中，表示向下取整运算，且在第一次分簇时，参与分组的用户数＝系统总用户数N。

4.根据权利要求1所述的一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，其特征在于，所述的步骤4)中，计算各用户的吞吐量之和具体为：

设用户簇内含有K个用户，在NOMA系统下行链路中该用户簇的K个用户共享信道带宽为B的子信道，基站在发送端对K个用户的信号进行叠加，并在接收端采用串行干扰删除技术对接收信号进行检测，h_k为用户簇内第k个用户的链路增益，且|h₁|>|h₂|>|h₃|>······|h_K|，则有：

其中，ρ为基站发送端的信噪比，a_k为用户簇内第k个用户的功率分配因子，b_k为用户簇内第k个用户在正交多址接入方式下的功率分配因子。

5.根据权利要求3所述的一种非正交多址接入系统下行链路用户分簇方法，其特征在于，所述的步骤4)中，当用户组组数T为偶数时，用户簇C₁和C₂中的用户数均为T，当用户组组数T为奇数时，用户簇C₁中的用户数为T+1，用户簇C₂中的用户数为T-1。