CN110191476A - 一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种针对可重构天线阵列的非正交多址接入方法。涉及毫米波通信系统的可重构天线阵列技术、非正交多址接入技术、物理层的功率分配技术，本发明设计了使用单个RF链路同时传输多路数据流的方案，大大降低了系统的硬件成本和功耗。本发明提出的联合波束与用户的功率分配优化策略，可以实现多个波束和用户间的最佳功率配置，在满足用户速率门限的条件下优化系统的总速率。本发明实现的功率分配算法的非正交用户排序只依赖用户的速率门限和信道信息，这些信息在初始化阶段容易获得，其排序简单易实现，也具有良好的可扩展性。

Description

一种基于可重构天线阵列的非正交多址接入方法

技术领域

本发明属于信息与通信工程领域，涉及毫米波通信系统的可重构天线阵列技术、非正交多址接入技术、物理层的功率分配技术，主要是通过设计一种应用于可重构天线阵列的非正交多址接入方法，提高毫米波通信系统中多用户传输的数量和功率效率。

背景技术

非正交多址接入是多用户传输的一种技术，通过在同一时频资源内以非正交方式容纳更多的用户资源，从而获得接入用户数量和频谱效率的显著提升。非正交多址接入技术是5G网络的关键技术之一，可以用于解决由于移动互联网及物联网带来的急速增长的大规模数据需求。

由于现有移动通信无线频谱资源的日渐稀缺，5G网络将启用毫米波频段；基于毫米波天线阵列的多用户传输的设计关键在于降低高频信号处理器件的功耗以及造价成本。目前主流的设计方案之一是基于透镜天线阵列的波束域混合预编码技术，该技术充分利用了毫米波信道的稀疏特征，利用透镜阵列天线的物理特性将信道由空域变换到波束域，再通过波束域混合预编码将不同信号加载至不同波束进行发送。波束域混合预编码技术利用了毫米波传输的指向性，抑制了波束间干扰，从而获得了较高的功率效率。在此基础上，可重构天线阵列技术利用多路锥形槽天线馈电与球形透镜，可在一路射频链路上产生多个正交波束，从而进一步降低毫米波多用户传输的硬件成本与功耗。

目前，对于波束域混合预编码架构中非正交多址接入技术的研究，主要集中于基于透镜天线阵列的方案设计，尚未有文献分析基于可重构天线阵列的非正交多址接入的方案，该方案需综合考虑可重构天线阵列的多路天线馈电以及非正交用户间的功率分配，从而进一步提升波束域混合预编码的多用户接入数量。

发明内容

本发明针对现有研究技术的不足，公开了一种针对可重构天线阵列的非正交多址接入方法，本发明的方法具体包括下面7个步骤：

步骤1.初始化系统，设定总发送功率p_T、波束个数N和每个波束上的用户个数M_n，n＝1,…,N；

步骤2.设定用户的信道衰落h_n,m和传输所需信噪比门限γ_n,m，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤3.根据h_n,m和γ_n,m计算传输功率比例α_n,m＝γ_n,m/|h_n,m|²，并确定每个波束上的主用户α_n,1＝min{α_n,m}，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤4.根据总发送功率约束p_T，用户的信道衰落h_n,m和信噪比门限γ_n,m，建立和速率优化问题S，并求解最佳功率比例系数p_n,m；

步骤5.检查问题S是否存在可行解，若可行解存在，则跳过此步骤，若可行解不存在，则删除用户α_l,k＝max{α_n,m}，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n，并返回步骤4；

步骤6.根据计算得到的p_n,m，计算波束n上的发送符号n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤7.根据波束发送符号s_n，计算每个波束所对应的锥形槽天线馈电的功率分割系数p_n＝|s_n|²/|s₁|²，n＝1,…,N。

作为步骤3中的功率比例选择方案，其和速率优化问题S建构如下：

首先定义拉格朗日乘式

问题S的最优功率比例使用下述公式进行计算：

本发明的有益效果

毫米波通信中多用户接入采用波束域混合预编码的经典方案，可以充分利用毫米波信道的稀疏特征，从而将射频链路数量降低到不低于有效波束的个数，其方案利用非正交多址接入技术，可以进一步增加传输数据流的个数。但是，上述方案依然存在需要同时使用多路射频链路的缺陷。为克服上述不足之处，本发明提出了应用于可重构天线阵列的非正交多址接入技术，设计了使用单个RF链路同时传输多路数据流的方案，大大降低了系统的硬件成本和功耗。

本发明提出的联合波束与用户的功率分配优化策略，可以实现多个波束和用户间的最佳功率配置，在满足用户速率门限的条件下优化系统的总速率。

本发明提出优化算法基于经典的Karush-Kuhn-Tucher最优条件，算法简单，可扩展。

本发明实现的功率分配算法的非正交用户排序只依赖用户的速率门限和信道信息，这些信息在初始化阶段容易获得，其排序简单易实现，也具有良好的可扩展性，具有一定的意义。

附图说明

图1是为可重构天线阵列产生多个波束的原理示意图。

图2是可重构天线阵列实现波束域非正交多址接入的示意图。

图3可重构天线阵列波束域非正交多址接入的频谱效率比较图。

图4可重构天线阵列波束域非正交多址接入的功率效率比较图。

具体实施方式

下面结合附图及实施案例，对本发明作进一步详述，应注意本发明的实施方式不限于此。

图1是为可重构天线阵列借助多路锥形槽天线馈电与球形透镜，通过一路射频链路上产生n个波束的原理示意图，其中波束选择网络通过功率分割系数p_n中控制每个波束的发送功率，p_n通过下面方法的步骤7计算得到，n＝1,…,N。

图2是可重构天线阵列实现波束域非正交多址接入的示意图(图例包含两个波束，分别接入2个用户和3个用户)。整个波束域非正交多址接入的具体步骤如下：

本发明的方法具体包括下面7个步骤：

步骤1.初始化系统，设定基站总发送功率p_T、波束个数N和每个波束上的用户个数M_n(M_n≥2)，n＝1,…,N；

步骤2.设定用户的信道衰落h_n,m和传输所需信噪比门限γ_n,m，中n＝1,…,N，m＝1,…,M_n，信道衰落设定为准静态瑞利衰落(d_n,m是用户与基站的距离，α是衰落因子)，信噪比门限(R_n,m是用户的最小传输速率)；

步骤3.根据h_n,m和γ_n,m计算传输功率比例α_n,m＝γ_n,m/|h_n,m|²，并确定每个波束上的主用户α_n,1＝min{α_n,m}(波束上其它用户的译码次序按照α_n,m的大小倒序排列)，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤4.根据总发送功率约束p_T，用户的信道衰落h_n,m和信噪比门限γ_n,m，建立和速率优化问题S，并求解最佳功率比例系数p_n,m；

步骤5.检查问题S是否存在可行解，若可行解存在，则跳过此步骤，若可行解不存在，则删除用户α_l,k＝max{α_n,m}，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n，并返回步骤4；

步骤6.根据计算得到的p_n,m，计算波束n上的发送符号(设定调制方式为QAM，则其中a_n,m和θ_n,m分别为信号幅度和相位)，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤7.根据波束发送符号s_n，计算每个波束所对应的锥形槽天线馈电的功率分割系数p_n＝|s_n|²/|s₁|²，n＝1,…,N。

作为步骤3中的功率比例选择方案，其和速率优化问题S建构如下：

首先定义拉格朗日算子

问题S的最优功率比例使用下述公式进行计算：

根据上述示例我们对本方法的性能进行了仿真，并与已有的一些方法作了对比。

在图3中，将本方法(RAA-NOMA)与可重构天线波束域的正交多址接入(RAMA)，以及考虑公平性调度的多用户接入优化方法(fairness，见参考文献[1]S.Timotheou andI.Krikidis,“Fairness for non-orthogonal multiple access in 5G systems,”IEEESignal Process.Lett.,vol.22,no.10,pp.1647–1651,Oct.2015.

)的频谱效率作了对比。在这里，频谱利用率(SE)等于和速率与传输带宽的比值。从仿真结果图可以看出的RAA-NOMA的频谱利用率最好，相比fairness方案在性能上大约有2dB的增益；和RAMA相比有大约3dB的性能增益，由此可见本方法通过使用非正交接入技术提升了频谱效率。

在图4，我们将本方法(RAA-NOMA)与可重构天线波束域的正交多址接入(RAMA)，以及传统的波束域非正交多址接入(LAHP-NOMA)的能量效率进行了比较，系统能量效率(EE)的计算公式如下：

其中，P是系统最大发射功率，N_RF是传输需要的射频链路数量，P_RF是每路射频链路的平均功耗，取P_RF＝305mw，N_beam是发送波束个数，在LAHP-NOMA方案中，N_beam＝N_RF,(在RAA-NOMA方案中，N_RF＝1)，P_RF是进行波束切换所消耗的功率，这里取P_SW＝200mw。

从图4的仿真结果看出，RAA-NOMA和RAMA的功率效率都明显高于LAHP-NOMA，并且当系统SNR增加时其优势更加明显。因此，使用可重构天线技术能提高系统的功率效率，而且本方法在频谱效率和功率效率都带来了明显的改善。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以权利要求所述为准。

Claims (3)

1.一种针对可重构天线阵列的非正交多址接入方法，其特征在于具体包括如下步骤：

步骤1.初始化系统，设定总发送功率p_T、波束个数N和每个波束上的用户个数M_n，n＝1,…,N；

步骤2.设定用户的信道衰落h_n,m和传输所需信噪比门限γ_n,m，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤3.根据h_n,m和γ_n,m计算传输功率比例α_n,m＝γ_n,m/|h_n,m|²，并确定每个波束上的主用户α_n,1＝min{α_n,m}，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤4.根据总发送功率约束p_T，用户的信道衰落h_n,m和信噪比门限γ_n,m，建立和速率优化问题S，并求解最佳功率比例系数p_n,m；

步骤5.检查问题S是否存在可行解，若可行解存在，则执行步骤6，若可行解不存在，则删除用户α_l,k＝max{α_n,m}，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n，并返回步骤4；

步骤6.根据计算得到的p_n,m，计算波束n上的发送符号s_n,m是波束n上第m个用户的信号，n＝1,…,N，m＝1,…,M_n；

步骤7.根据波束发送符号s_n，计算每个波束所对应的锥形槽天线馈电的功率分割系数p_n＝|s_n|²/|s₁|²，n＝1,…,N。

2.如权利要求1所述的针对可重构天线阵列的非正交多址接入方法，其特征在于所述步骤3中的和速率优化问题S建构如下：

其中是波束n上第m个用户的噪声功率，σ₀是顺次干扰抵消译码所需的功率差。

3.如权利要求2所述的针对可重构天线阵列的非正交多址接入方法，其特征在于所述和速率优化问题S的求解方法如下：

首先定义拉格朗日乘式

其中λ、μ_n,m和v_n,m为拉格朗日算子，且λ≥0；问题S的最优功率比例使用下述公式进行计算：