CN110337144B - 基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，包括一个基站和K个用户，基站配置N根天线和M个射频链路，用户配置单根天线：基站获取信道角度域信息；基站根据所获得的信道角度域信息将用户分成Nc个用户簇，其中，在第i个用户簇中有Ki个用户，如果Ki＞1，那么第i个用户簇中的用户采用非正交多址接入技术；用户簇被分成
个组，在第q个组中有Mq≤M个用户簇，其中，
下行数据传输阶段被分成Ns个传输时隙，在第q个传输时隙期间，基站服务第q个组中的所有用户簇，采取最大化最小用户速率功率分配方法对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配。本发明提供的功率分配方法有效地改善了最差用户的速率，确保了用户公平性。
Description
技术领域
本发明涉及通信领域，具体涉及一种基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法。
背景技术
由于具有丰富的频谱资源，毫米波(mmWave)被认为是满足未来通信系统中高速率无线设备日益增长的需求的一个关键技术。然而，路径损耗在毫米波频段非常严重，这使得在实际系统中部署毫米波变得困难。为了解决这个问题，如公开号为CN109547135A的中国专利文献公开了一种毫米波系统中基于保密概率的功率分配方法，包括如下步骤：S1、等效信道模型化步骤，建立毫米波信道模型并由此获得离散角度域信道模型；S2、功率分配策略定义步骤，对合法方向接收信噪比的最小值进行强制约束，同时限定窃听方向接收信噪比的上界，制定总发射功率的分配策略，保证目标保密概率满足服务质量需求的约束；S3、功率分配步骤，进行基于中断的人工噪声波束成形功率分配，并对最终分配结果进行性能评估。另一个有效的方法就是在毫米波系统采用多天线技术。而且，毫米波的波长短，这使得部署大规模天线阵列成为可能。如公开号为CN107580364A的中国专利文献公开了一种毫米波多天线系统中基于加权容量增速的功率分配方法。目前的蜂窝无线通信频带难以满足日益增长的数据业务的需求。该方法利用了毫米波多天线系统中的容量的近似凸特性和单调性来分配功率。该方法利用这一特性计算各终端的加权的容量对功率的导数，即加权的容量增速，根据加权的容量增速给终端分配功率。在个终端的加权的容量增速相同的情况下，可以实现最大化的渐进系统容量，即基站天线数量趋于无穷下的系统容量。
作为另一个未来网络中很有前景的技术，非正交多址接入技术(NOMA)能够很好地与毫米波技术结合，两者结合主要有以下两点好处：其一，非正交多址接入技术能够服务单个波束中的多个用户，这可以进一步提高频谱效率，同时有效减少射频链路的数量，这对降低毫米波系统的部署成本有重要意义；其二，在毫米波系统中，可以通过高方向性的波束来缓解波束间的干扰。
然而，由于在各个波束中采用非正交多址接入技术，单个波束中有多个用户，如果不采用合适的功率分配策略，使用连续干扰消除技术仍会对用户簇中信道较差的用户产生严重的干扰，难以确保用户公平性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，可以解决功率分配时用户公平性差的问题，有效地改善信道较差用户的速率。
本发明提供如下技术方案：
一种基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，所述的角度域毫米波非正交多址系统包括一个基站和K个用户，基站配置N根天线和M个射频链路，用户配置单根天线，所述功率分配方法包括如下步骤：
(1)基站获取信道角度域信息；
(2)基站根据所获得的信道角度域信息将用户分成Nc个用户簇，其中在第i个用户簇中有Ki个用户，如果Ki>1，那么第i个用户簇中的用户采用非正交多址接入技术；
(3)用户簇被分成
个组，在第q个组中有Mq≤M个用户簇，其中
(4)下行数据传输阶段被分成Ns个传输时隙，在第q个传输时隙期间，基站服务第q个组中的所有用户簇，并对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配。
在步骤(1)中，所述获取信道角度域方法为：
(a)基站预先设定用于平均划分整个角度域空间的J个角度值
(b)基站在这J个角度值处进行线性搜索来估计信道角度域信息。
在步骤(2)中，所述将用户分成Nc个用户簇的方法为：将信道角度域信息中角度相同的用户分在同一个用户簇中。
在步骤(3)中，所述用户簇进行分组的方法可以为：遍历搜索配对算法、随机用户配对算法或与分组配对算法。
在步骤(4)中，采取最大化最小用户速率功率分配方法对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配。
在步骤(4)中，所述功率分配的方法为：
(a)建立下列优化问题：
其中，P是总的传输功率，
是第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的速率，
表示分配给第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的功率，
表示莱斯因子，
表示第q次传输中的第m个用户簇的角度信息估计值；(b)找到上述优化问题中最优解f的任意一对上下界tmax和tmin，确定算法精度∈>0；
(c)设置
求解下列可行性问题：
其中，
(d)如果上述问题可行，设置tmin＝t，否则设置tmax＝t；
(e)重复步骤(c)(d)直到tmax-tmin≤∈，输出此时的功率分配向量p。
本发明的有益效果是：本发明提出的基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，能够有效地改善信道较差用户的速率，保证用户公平性。
附图说明
图1为本发明提供的角度域毫米波非正交多址接入系统的模型图；
图2为本发明提供的功率分配方法与固定功率方法的性能比较图。
具体实施方式
为了更为具体地描述本发明，下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案进行详细说明。
如图1所示，本发明提供的角度域毫米波非正交多址系统包括一个基站和K个用户，基站配置N根天线和M个射频链路，用户配置单根天线，基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，具体包括如下步骤：
步骤1，基站获取信道角度域信息；
此步骤中的获取信道角度域方法为：
首先，基站预先设定J个角度值
这J个角度值平均划分整个角度域空间；然后，基站在这J个角度值处进行线性搜索来估计信道角度域信息。
步骤2，基站根据所获得的信道角度域信息将用户分成Nc个用户簇，其中，在第i个用户簇中有Ki个用户，如果Ki>1，那么第i个用户簇中的用户采用非正交多址接入技术；
此步骤中的用户分簇方法为：
估计所得角度相同的用户被分在同一个用户簇中，扇形区域表示不同的角度域空间，位于相同角度域空间的用户被分在同一个用户簇，可以用不同的颜色来区分位于不同组的用户簇。
步骤3，用户簇被分成
个组，在第q个组中有Mq≤M个用户簇，其中
在本实施例中，可以采用任何现有技术将用户簇分成
个组。
步骤4，下行数据传输阶段被分成Ns个传输时隙，在第q个传输时隙期间，基站服务第q个用户簇的所有用户，采取最大化最小用户速率功率分配方法对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配。
此步骤中功率分配方法为：
(a)建立下列优化问题：
P是总的传输功率，
是第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的速率：
其中，
表示分配给第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的功率，
表示莱斯因子，
表示第q次传输中的第m个用户簇的角度信息估计值；
(b)找到上述优化问题中最优解f的任意一对上下界tmax和tmin，确定算法精度∈>0；
(c)设置
求解下列可行性问题：
其中，
(d)如果上述问题可行，设置tmin＝t，否则设置tmax＝t；
(e)重复步骤(c)(d)直到tmax-tmin≤∈，输出此时的功率分配向量p。
图2为本发明提供的功率分配方法与固定功率方法的性能比较图，是计算机仿真的结果，从图2中可以看出本发明提出的功率分配方法的用户速率方差更小，用户速率在0.4bps/Hz和0.85bps/Hz之间，并且集中在0.75bps/Hz附近。相反，固定功率分配方案下，大约一半用户的速率在0.1bps/Hz和0.52bps/Hz之间，而另一半用户的速率大约是0.85bps/Hz。而且，将近20％的用户速率低于0.4bps/Hz。因此，本发明提出的基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，能够有效改善最差用户速率，提高用户公平性。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于，所述的角度域毫米波非正交多址系统包括一个基站和K个用户，基站配置N根天线和M个射频链路，用户配置单根天线，所述功率分配方法包括如下步骤：
(1)基站获取信道角度域信息；
(2)基站根据所获得的信道角度域信息将用户分成Nc个用户簇，其中，在第i个用户簇中有Ki个用户，如果Ki＞1，那么第i个用户簇中的用户采用非正交多址接入技术；
(3)用户簇被分成
个组，在第q个组中有Mq≤M个用户簇，其中，
(4)下行数据传输阶段被分成Ns个传输时隙，在第q个传输时隙期间，基站服务第q个组中的所有用户簇，并对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配；
所述功率分配的方法为：
(a)建立下列优化问题：
其中，P是总的传输功率，
是第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的速率，
表示分配给第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的功率，
表示第q个传输时隙中的第m个用户簇中的用户数，
表示第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的有用信号功率,
表示第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n个用户的泄露功率，
表示第q个传输时隙中的第m个用户簇中第n1个用户对相同用户簇中的第n个用户的干扰，
表示第q个传输时隙中的第m1个用户簇中第n1个用户对相同传输时隙的第m个用户簇中第n个用户的干扰，
表示第q个传输时隙中的第m个用户簇中的第n个用户的大尺度衰落系数，
表示莱斯因子，
表示第q次传输中的第m个用户簇的角度信息估计值；J为基站预先设定用于平均划分整个角度域空间的J个角度值；
(b)找到上述优化问题中最优解f的任意一对上下界tmax和tmin，确定算法精度∈＞0；
(c)设置
求解下列可行性问题：
其中，
(d)如果步骤(c)中的可行性问题可行，设置tmin＝t，否则设置tmax＝t；
(e)重复步骤(c)(d)，直到tmax-tmin≤∈，输出此时的功率分配向量p。
2.根据权利要求1所述的基于角度域毫米波非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于，在步骤(1)中，所述获取信道角度域方法为：
(a)基站预先设定用于平均划分整个角度域空间的J个角度值
(b)基站在这J个角度值处进行线性搜索来估计信道角度域信息。
3.根据权利要求1所述的基于角度域毫米波非正交多址系统的功率分配方法，其特征在于，在步骤(2)中，所述将用户分成Nc个用户簇的方法为：将信道角度域信息中角度相同的用户分在同一个用户簇中。
4.根据权利要求1所述的基于角度域毫米波非正交多址系统的功率分配方法，其特征在于，在步骤(3)中，所述用户簇进行分组的方法选自遍历搜索配对算法、随机用户配对算法或分组配对算法。
5.根据权利要求1所述的基于角度域毫米波非正交多址系统的功率分配方法，其特征在于，在步骤(4)中，采取最大化最小用户速率功率分配方法对第q个传输时隙中的所有用户实施功率分配。
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