CN110418297B - 一种基于误码率公平的功率域noma协作传输方法及其装置 - Google Patents

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CN110418297B CN201910863726.0A CN201910863726A CN110418297B CN 110418297 B CN110418297 B CN 110418297B CN 201910863726 A CN201910863726 A CN 201910863726A CN 110418297 B CN110418297 B CN 110418297B
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Abstract

本发明公开了一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法及其装置，该方法包括以下步骤：建立传输系统模型；边界简化处理目的节点的接收信号，以获取检测信号和噪声信号的上边界；将检测信号和噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；先计算检测信号的矩量母函数，并简化矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解。本发明能够提升弱用户的服务质量，得到结构简单的误码率闭式边界公式，可以通过公式调节误码率的性能，可满足用户公平性与高信噪比条件，进而实现功率分配的优化和多种场景的拓展。

Description

一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法及其装置
技术领域
本发明涉及通讯技术领域的一种功率域NOMA协作传输方法，尤其涉及一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，还涉及一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输装置。
背景技术
随着对高速数据业务的需求急速增加，进一步提高频谱效率愈发重要。而非正交多址接入(NOMA)作为一种新型多址接入技术，能够极大地改善系统的频谱效率，成为5G中的关键技术之一。功率域NOMA给每个用户分配不同的发送功率，多个用户从而可以共享相同的时间频率和扩频码等传统的正交资源；在接收端，根据用户信道增益的差异，利用串行干扰消除技术来消除多个用户信号叠加引入的干扰。由于NOMA允许在相同资源上服务更多的用户，所以NOMA具有支持海量连接数的潜力，能够利用有限的资源上接入更多的用户，解决5G多址接入技术需要解决的核心问题。
在物联网场景中，低功耗的限制要求大规模用户需要进行上行的接入，并且对数据传输的可靠性和速率有更高的要求，因此对NOMA中保障弱用户服务质量的上行通信展开研究具有实际的应用价值。弱用户处于小区的边缘部分，协作分集技术是能够显著提升弱用户的服务质量的有效手段之一。但是，现有的5G场景在物联网应用中，用户服务质量较低，不能满足大规模用户节点的接入和不同数据流量的高可靠性信息传输。
发明内容
针对现有的技术问题，本发明提供一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法及其装置，解决了现有的5G场景在物联网应用中，用户服务质量较低，不能满足大规模用户节点的接入和不同数据流量的高可靠性信息传输的问题。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其包括以下步骤：
(1)建立传输系统模型；所述传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站；所述中继节点为靠近所述传输区域中心位置的强用户节点，所述用户节点为所述传输区域边缘位置的弱用户节点，且所述中继节点和所述用户节点均为单天线节点；所述中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发；两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到所述中继节点的信道系数分别为hs1,r和hs2,r，所述传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤：
(1.1)分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至所述半双工中继节点：
在所述第一时隙，通过预设的降噪因子对所述半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理；
在所述第二时隙，使所述半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点；
(1.2)在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对所述目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure GDA0003130754790000021
的信号进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000022
的信号进行噪声处理，获取对应的信噪比；其中，定义信道系数为
Figure GDA0003130754790000023
的信号为检测信号，信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000024
的信号为噪声信号；
(2)使
Figure GDA0003130754790000025
与
Figure GDA0003130754790000026
趋近，边界简化处理所述目的节点的接收信号，以获取所述检测信号和所述噪声信号的上边界；
(3)将所述检测信号和所述噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；
(4)先计算所述检测信号的矩量母函数，并简化所述矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过所述误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解；
(5)根据所述闭式解，对功率分配进行优化。
作为上述方案的进一步改进，在所述第一时隙，所述半双工中继节点接收的信号为：
yr＝xr+ns,r
其中，ns,r为均值为0且方差为N0的高斯白噪声一；xr为两个用户节点发送的信号的线性叠加信号。
进一步地，所述线性叠加信号的计算公式为：
Figure GDA0003130754790000031
其中，xi为第i个用户节点发送的功率归一化信号，i＝1，2…n，n为不小于2的正整数，且E[|xi|2]＝1；P1为所述两个用户节点发送的总功率，α1和α2分别为用户节点的功率分配系数，α1+α2＝1。
再进一步地，所述降噪因子为：
Figure GDA0003130754790000032
在所述第一时隙，所述半双工中继节点放大转发的信号为：
Figure GDA0003130754790000033
其中，P2为所述半双工中继节点的发送功率。
再进一步地，在所述第二时隙，所述目的节点接收的信号为：
Figure GDA0003130754790000041
Figure GDA0003130754790000042
式中，式中，hr,d为所述半双工中继节点至所述目的节点的信道系数，nr,d为均值为0且方差为N0的高斯白噪声二；噪声nr,d的均值为0，方差为：
Figure GDA0003130754790000043
其中，ns,r和nr,d是各自独立的噪声变量。
再进一步地，信道系数为hs1,r的信号的信噪比为：
Figure GDA0003130754790000044
信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000045
的信号的信噪比为：
Figure GDA0003130754790000046
其中，方差N0趋向于0。
再进一步地，所述检测信号的上边界为：
Figure GDA0003130754790000047
所述噪声信号的上边界为：
Figure GDA0003130754790000051
其中，
Figure GDA0003130754790000052
再进一步地，所述检测信号的上边界分解后为：
Figure GDA0003130754790000053
其中，
Figure GDA0003130754790000054
并服从参数
Figure GDA0003130754790000055
的指数分布；X2＝P2|hr,d|2，并服从参数
Figure GDA0003130754790000056
的指数分布；
所述噪声信号的上边界分解为：
Figure GDA0003130754790000057
其中，
Figure GDA0003130754790000058
并服从参数
Figure GDA0003130754790000059
的指数分布；X4＝P2|hr,d|2，并满足参数
Figure GDA00031307547900000510
的指数分布；
所述检测信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure GDA00031307547900000511
所述噪声信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure GDA00031307547900000512
两个用户节点误码率的闭式解分别为：
Figure GDA00031307547900000513
Figure GDA00031307547900000514
其中，
Figure GDA0003130754790000061
为一个常数并表示为N，则系统的总误码率
Figure GDA0003130754790000062
再进一步地，功率分配优化的方法包括以下步骤：
(5.1)设定约束条件：P1+P2＝P，P为系统总功率；
(5.2)对系统的总误码率求偏导，并令
Figure GDA0003130754790000063
(5.3)对Z中P1或P2求偏导、极值，获取两个用户节点的功率分配系数α1、α2与P1及P2之间的关系式；其中，对P1求偏导、极值可得：
Figure GDA0003130754790000064
定义P1+P2＝P，可得
Figure GDA0003130754790000065
(5.4)分别对P1和P2的表达式求偏导，获取分配系数α1、α2的计算公式：
Figure GDA0003130754790000066
Figure GDA0003130754790000067
(5.5)根据分配系数α1、α2的计算公式，确定系统误码率性能最优时两个用户节点的最佳功率分配因子的数值。
本发明还提供一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输装置，其应用上述任意所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其包括：
模型建立模块，其用于建立传输系统模型，并在所述传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站；所述中继节点为靠近所述传输区域中心位置的强用户节点，所述用户节点为所述传输区域边缘位置的弱用户节点，且所述中继节点和所述用户节点均为单天线节点；所述中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发；两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到所述中继节点的信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000071
和
Figure GDA0003130754790000072
所述传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤：(1.1)分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至所述半双工中继节点：在所述第一时隙，通过预设的降噪因子对所述半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理；在所述第二时隙，使所述半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点；(1.2)在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对所述目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure GDA0003130754790000073
的信号进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000074
的信号进行噪声处理，获取对应的信噪比；其中，定义信道系数为
Figure GDA0003130754790000075
的信号为检测信号，信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000076
的信号为噪声信号；
上边界获取模块，其用于使
Figure GDA0003130754790000077
与
Figure GDA0003130754790000078
趋近，边界简化处理所述目的节点的接收信号，以获取所述检测信号和所述噪声信号的上边界；
分解模块，其用于将所述检测信号和所述噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；
误码率获取模块，其用于先计算所述检测信号的矩量母函数，并简化所述矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过所述误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解；以及
功率分配优化模块，其用于根据所述闭式解，对功率分配进行优化。
本发明的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法及其装置，其具有以下有益效果：
该基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法首先建立传输系统模型，而传输系统模型中设置了强弱用户组，弱用户组具有两个用户节点，强用户组作为中继节点，并将解码后数据转发给其他用户，以此提升弱用户的服务质量，其次使
Figure GDA0003130754790000081
与
Figure GDA0003130754790000082
趋近，并边界简化目的节点的接收信号，从而获取两个信号的上边界，然后再将上边界分解成子信号，最后通过计算和简化矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，而式中不含任何积分，能够得到结构简单的误码率闭式边界公式，从而可以通过公式调节误码率的性能，可满足用户公平性与高信噪比条件，进而实现功率分配的优化和多种场景的拓展。
附图说明
图1为本发明实施例1的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法的流程图；
图2为图1中所建立的传输系统模型的上行非正交多址通信系统的AF协作模型图；
图3为本发明实施例2的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法在上行非正交多址通信系统的AF协作系统性能分析图，图中在QPSK调制方式下系统的实际误码率性能与闭式解理论值的拟合效果图；
图4为本发明实施例2的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法在不同功率分配方案下系统误码率性能的对比分析图。
图5为本发明实施例2的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法在实现系统总误码率性能最优时两个用户节点误码率公平性的对比分析图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
请参阅图1，本实施例提供了一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，该功率域NOMA协作传输方法包括以下步骤(步骤1-5)。
步骤1、建立传输系统模型。请参阅图2以及图3，传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站。中继节点为靠近传输区域中心位置的强用户节点，用户节点为传输区域边缘位置的弱用户节点，且中继节点和用户节点均为单天线节点。中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发。两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到中继节点的信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000091
和
Figure GDA0003130754790000092
方差分别为
Figure GDA0003130754790000093
和
Figure GDA0003130754790000094
在本实施例中，假设发射端包含两个单天线弱用户节点s1和s2，一个强用户单天线节点充当半双工中继节点(R，relay)。由于弱用户节点至目的节点D的信号微弱，因此只考虑中继转发链路。而传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤。
第一步、分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至半双工中继节点。
在第一时隙，本实施例的半双工中继节点R收到两个用户节点发来的信号为：
yr＝xr+ns,r
其中，ns,r为均值为0且方差为N0的高斯白噪声一；xr为两个用户节点发送的信号的线性叠加信号；在本实施例中，线性叠加信号的计算公式为：
Figure GDA0003130754790000095
式中，xi为第i个用户节点发送的功率归一化信号，i＝1，2…n，n为不小于2的正整数，且E[|xi|2]＝1；P1为两个用户节点发送的总功率，α1+α2＝1。
在第一时隙，通过预设的降噪因子对半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理，本实施例中降噪因子为：
Figure GDA0003130754790000101
在第一时隙，半双工中继节点放大转发的信号为：
Figure GDA0003130754790000102
其中，P2为半双工中继节点的发送功率。
在第二时隙，假设中继节点采用放大转发的工作方式(即使半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点)，目的节点D处收到中继R节点发来的信号为：
Figure GDA0003130754790000103
式中，hr,d为半双工中继节点至目的节点的信道系数，nr,d为均值为0且方差为N0的高斯白噪声二；噪声nr,d的均值为0，方差为：
Figure GDA0003130754790000104
其中，ns,r和nr,d是各自独立的噪声变量。
第二步、在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure GDA0003130754790000105
的信号(即信号s1)进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000106
的信号(即信号s2)进行噪声处理，获取对应的信噪比。其中，定义信道系数为
Figure GDA0003130754790000107
的信号(即信号s1)为检测信号，信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000108
的信号(即信号s2)为噪声信号。假设
Figure GDA0003130754790000109
检测信号的信噪比为：
Figure GDA0003130754790000111
假设s1的信号能够完全解码，并且能够在yd中完全删除，则噪声信号的信噪比为：
Figure GDA0003130754790000112
其中，方差N0趋向于0。
步骤2、使
Figure GDA0003130754790000113
与
Figure GDA0003130754790000114
趋近，边界简化处理目的节点的接收信号，以获取检测信号和噪声信号的上边界。在本实施例中，假设
Figure GDA0003130754790000115
即保证两个用户节点的公平性。检测信号的上边界为：
Figure GDA0003130754790000121
噪声信号的上边界为：
Figure GDA0003130754790000122
其中，
Figure GDA0003130754790000123
步骤3、将检测信号和噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布。在本实施例中，检测信号的上边界分解后为：
Figure GDA0003130754790000124
其中，
Figure GDA0003130754790000125
并服从参数
Figure GDA0003130754790000126
的指数分布；X2＝P2|hr,d|2，并服从参数
Figure GDA0003130754790000127
的指数分布。
噪声信号的上边界分解为：
Figure GDA0003130754790000131
其中，
Figure GDA0003130754790000132
并服从参数
Figure GDA0003130754790000133
的指数分布；X4＝P2|hr,d|2，并满足参数
Figure GDA0003130754790000134
的指数分布。
步骤4、先计算检测信号的矩量母函数，并简化矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解。在本实施例中，借助两个独立随机变量调和均值的矩量母函数计算方法，进而可得误码率闭式边界公式。
在本实施例中，可以看出检测信号和噪声信号的上边界的分解结果均符合两个独立随机变量调和均值的形式，因此，检测信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure GDA0003130754790000135
噪声信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure GDA0003130754790000136
假设本实施例中采用QPSK调制方式，其中，M＝4，bpsk＝sin2(π/M),
Figure GDA0003130754790000141
为对应
Figure GDA0003130754790000142
的矩量母函数。由于两个用户节点结构简单的矩量母函数，再结合误码率的闭式边界公式，得到两个用户节点SER闭式解如下：
Figure GDA0003130754790000143
Figure GDA0003130754790000144
其中，
Figure GDA0003130754790000145
为一个常数并表示为N，则：
Figure GDA0003130754790000146
Figure GDA0003130754790000147
则系统的总误码率为：
Figure GDA0003130754790000148
步骤5、根据闭式解，对功率分配进行优化。其中，功率分配优化的方法包括以下步骤：
(5.1)设定约束条件：P1+P2＝P，P为系统总功率；
(5.2)对系统的总误码率求偏导，并令
Figure GDA0003130754790000149
(5.3)对Z中P1或P2求偏导、极值，获取两个用户节点的功率分配系数α1、α2与P1及P2之间的关系式；
其中，对P1求偏导、极值可得：
Figure GDA0003130754790000151
由于P1+P2＝P，故
Figure GDA0003130754790000152
欲求得系统总SER性能最优时的极值即为对Z进行求极值。令P1α1＝x，P1α2＝y。则：
Figure GDA0003130754790000153
((5.4)分别对P1和P2的表达式中的x和y的求偏导，获取分配系数α1、α2的计算公式：
Figure GDA0003130754790000154
Figure GDA0003130754790000155
(5.5)根据分配系数α1、α2的计算公式，确定系统误码率性能最优时两个用户节点的最佳功率分配因子的数值。
综上，本实施例的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法具有以下优点：
该基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法首先建立传输系统模型，而传输系统模型中设置了强弱用户组，弱用户组具有两个用户节点，强用户组作为中继节点，并将解码后数据转发给其他用户，以此提升弱用户的服务质量，其次使
Figure GDA0003130754790000156
与
Figure GDA0003130754790000157
趋近，并边界简化目的节点的接收信号，从而获取两个信号的上边界，然后再将上边界分解成子信号，最后通过计算和简化矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，而式中不含任何积分，能够得到结构简单的误码率闭式边界公式，从而可以通过公式调节误码率的性能，进而实现功率分配的优化和多种场景的拓展。
实施例2
本实施例提供了一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，该功率域NOMA协作传输方法在实施例1的基础上进行仿真分析。由SIC解码的最佳顺序是信道增益的降序进行检测，故先对s1的信号进行检测，将s2的信号当作噪声处理，并假设s1的信号未完全解码，存在对s2信号进行解码的误差残留。并且上行非正交多址通信系统中，采用QPSK调制方式，对单中继AF协作NOMA系统上行链路SER性能进行分析。
请参阅图3，根据两个用户信道增益假设条件
Figure GDA0003130754790000161
用户1至中继节点R的信道系数方差
Figure GDA0003130754790000162
用户2至中继节点R的信道系数方差
Figure GDA0003130754790000163
中继节点R至目的节点D的信道系数方差
Figure GDA0003130754790000164
根据仿真的实际信道增益及用户公平性条件，两个用户功率分配系数α1＝1/3，α2＝2/3，可得P1＝0.464P，P2＝0.536P。即在高SNR条件下，系统实际仿真值与所推导的SER理论值的拟合效果良好，从而验证了MGF推导得出的系统渐近紧逼近SER公式的准确性。
请参阅图4，α1＝0.414，α2＝0.586，进一步计算获得P1＝0.46P，P2＝0.54P。两个用户节点功率分配因子α1、α2选取以下三种情况：(1)α1＝0.1，α2＝0.9；(2)α1＝0.414，α2＝0.586；(3)α1＝1/3，α2＝2/3。情况(1)的系统SER性能最差，情况(2)的系统SER性能最好，情况(3)的SER性能介于两者之间，故验证了情况(2)为系统SER性能最优时两个用户节点的最佳功率分配系数。
请参阅图5，随着信噪比的增大，仿真值与SER公式理论值逼近效果逐渐增强。在高信噪比情况下，两个用户节点SER性能虽然没有保持完全一致，但其差异保持在很小的范围之内，这说明在基于本文系统总体SER性能功率分配优化过程中两用户节点SER性能满足弱用户节点SER公平性的要求。
因此，本实施例针对协作NOMA系统SER性能分析过程比较复杂的问题，在高信噪比与保证用户节点公平性的条件下，提出根据用户节点SINR公式的调和均值形式推导得到结构简单的MGF得到系统渐近紧逼近SER公式，并对系统进行功率分配优化以实现系统性能最优。仿真结果表明，在信噪比较高时，系统渐近紧逼近SER公式的理论值与实际系统仿真值拟合效果良好，验证了公式的准确性，并验证了在最佳功率分配方案下两弱用户节点SER性能公平性符合约束条件。通过最小化渐近紧逼近SER公式，确定两弱用户节点总功率及中继放大转发功率的最佳功率分配关系。
实施例3
本实施例提供了一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输装置，该装置应用实施例1中的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法。该传输装置包括模型建立模块、上边界获取模块、分解模块、误码率获取模块以及功率分配优化模块。
模型建立模块用于建立传输系统模型，并在传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站；中继节点为靠近传输区域中心位置的强用户节点，用户节点为传输区域边缘位置的弱用户节点，且中继节点和用户节点均为单天线节点；中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发；两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到中继节点的信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000171
和
Figure GDA0003130754790000172
传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤(第一步和第二步)。第一步、分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至半双工中继节点：在第一时隙，通过预设的降噪因子对半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理；在第二时隙，使半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点。第二步、在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure GDA0003130754790000173
的信号进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000181
的信号进行噪声处理，获取对应的信噪比。在本实施例中，定义信道系数为
Figure GDA0003130754790000182
的信号为检测信号，信道系数分别为
Figure GDA0003130754790000183
的信号为噪声信号。
上边界获取模块用于使
Figure GDA0003130754790000184
与
Figure GDA0003130754790000185
趋近，边界简化处理目的节点的接收信号，以获取检测信号和噪声信号的上边界。
分解模块，其用于将检测信号和噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；
误码率获取模块用于先计算检测信号的矩量母函数，并简化矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解。
功率分配优化模块用于根据闭式解，对功率分配进行优化。
实施例4
本实施例提供了一种计算机终端，其包括存储器、处理器以及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序。处理器执行程序时实现实施例1的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法的步骤。
实施例1的功率域NOMA协作传输方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成独立运行的程序，安装在计算机终端上，计算机终端可以是电脑、智能手机、控制系统以及其他物联网设备等。实施例1的功率域NOMA协作传输方法也可以设计成嵌入式运行的程序，安装在计算机终端上，如安装在单片机上。
实施例5
本实施例提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序。程序被处理器执行时，实现实施例1的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法的步骤。
实施例1的功率域NOMA协作传输方法在应用时，可以软件的形式进行应用，如设计成计算机可读存储介质可独立运行的程序，计算机可读存储介质可以是U盘，设计成U盾，通过U盘设计成通过外在触发启动整个方法的程序。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，其包括以下步骤：
(1)建立传输系统模型；所述传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站；所述中继节点为靠近所述传输区域中心位置的强用户节点，所述用户节点为所述传输区域边缘位置的弱用户节点，且所述中继节点和所述用户节点均为单天线节点；所述中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发；两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到所述中继节点的信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000011
和
Figure FDA0003130754780000012
所述传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤：
(1.1)分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至所述半双工中继节点：
在所述第一时隙，通过预设的降噪因子对所述半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理；
在所述第二时隙，使所述半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点；
(1.2)在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对所述目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure FDA0003130754780000013
的信号进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000014
的信号进行噪声处理，获取对应的信噪比；其中，定义信道系数为
Figure FDA0003130754780000015
的信号为检测信号，信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000016
的信号为噪声信号；
(2)使
Figure FDA0003130754780000017
与
Figure FDA0003130754780000018
趋近，边界简化处理所述目的节点的接收信号，以获取所述检测信号和所述噪声信号的上边界；
(3)将所述检测信号和所述噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；
(4)先计算所述检测信号的矩量母函数，并简化所述矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过所述误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解；
(5)根据所述闭式解，对功率分配进行优化；功率分配优化的方法包括以下步骤：
(5.1)设定约束条件：P1+P2＝P，P为系统总功率，P1为两个用户节点发送的总功率，P2为半双工中继节点的发送功率；
(5.2)对系统的总误码率求偏导，并令
Figure FDA0003130754780000021
其中，α1和α2分别为用户节点的功率分配系数，α1+α2＝1；hr,d为所述半双工中继节点至所述目的节点的信道系数；
Figure FDA0003130754780000022
为
Figure FDA0003130754780000023
的方差；
Figure FDA0003130754780000024
为
Figure FDA0003130754780000025
的方差；
Figure FDA0003130754780000026
为hr,d的方差；
(5.3)对Z中P1或P2求偏导、极值，获取两个用户节点的功率分配系数α1、α2与P1及P2之间的关系式；其中，对P1求偏导、极值可得：
Figure FDA0003130754780000027
定义P1+P2＝P，可得
Figure FDA0003130754780000028
(5.4)分别对P1和P2的表达式求偏导，获取分配系数α1、α2的计算公式：
Figure FDA0003130754780000029
Figure FDA0003130754780000031
(5.5)根据分配系数α1、α2的计算公式，确定系统误码率性能最优时两个用户节点的最佳功率分配因子的数值。
2.如权利要求1所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，在所述第一时隙，所述半双工中继节点接收的信号为：
yr＝xr+ns,r
其中，ns,r为均值为0且方差为N0的高斯白噪声一；xr为两个用户节点发送的信号的线性叠加信号。
3.如权利要求2所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，所述线性叠加信号的计算公式为：
Figure FDA0003130754780000032
其中，xi为第i个用户节点发送的功率归一化信号，i＝1，2…n，n为不小于2的正整数，且E[|xi|2]＝1。
4.如权利要求3所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，所述降噪因子为：
Figure FDA0003130754780000033
在所述第一时隙，所述半双工中继节点放大转发的信号为：
Figure FDA0003130754780000034
5.如权利要求4所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，在所述第二时隙，所述目的节点接收的信号为：
Figure FDA0003130754780000035
Figure FDA0003130754780000041
式中，s1和s2分别为两个单天线弱用户节点；nr,d为均值为0且方差为N0的高斯白噪声二；噪声nr,d的均值为0，方差为：
Figure FDA0003130754780000042
其中，ns,r和nr,d是各自独立的噪声变量。
6.如权利要求5所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，信道系数为
Figure FDA0003130754780000043
的信号的信噪比为：
Figure FDA0003130754780000044
信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000045
的信号的信噪比为：
Figure FDA0003130754780000046
其中，方差N0趋向于0。
7.如权利要求6所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，所述检测信号的上边界为：
Figure FDA0003130754780000051
所述噪声信号的上边界为：
Figure FDA0003130754780000052
其中，
Figure FDA0003130754780000053
8.如权利要求7所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，所述检测信号的上边界分解后为：
Figure FDA0003130754780000054
其中，
Figure FDA0003130754780000055
并服从参数
Figure FDA0003130754780000056
的指数分布；X2＝P2|hr,d|2，并服从参数
Figure FDA0003130754780000057
的指数分布；
所述噪声信号的上边界分解为：
Figure FDA0003130754780000058
其中，
Figure FDA0003130754780000059
并服从参数
Figure FDA00031307547800000510
的指数分布；X4＝P2|hr,d|2，并满足参数
Figure FDA00031307547800000511
的指数分布；
所述检测信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure FDA00031307547800000512
所述噪声信号的矩量母函数的计算公式为：
Figure FDA0003130754780000061
两个用户节点误码率的闭式解分别为：
Figure FDA0003130754780000062
Figure FDA0003130754780000063
其中，
Figure FDA0003130754780000064
为一个常数并表示为N，则系统的总误码率
Figure FDA0003130754780000065
9.一种基于误码率公平的功率域NOMA协作传输装置，其应用如权利要求1-8中任意一项所述的基于误码率公平的功率域NOMA协作传输方法，其特征在于，其包括：
模型建立模块，其用于建立传输系统模型，并在所述传输系统模型中设置至少一个中继节点、至少两个用户节点以及位于传输区域中心位置的至少一个基站；所述中继节点为靠近所述传输区域中心位置的强用户节点，所述用户节点为所述传输区域边缘位置的弱用户节点，且所述中继节点和所述用户节点均为单天线节点；所述中继节点作为半双工中继节点并对两个用户节点发送的线性叠加信号进行放大转发；两个用户节点的分配系数分别为α1和α2，且发射端共享相同的时域和频域资源；两个用户节点到所述中继节点的信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000066
和
Figure FDA0003130754780000067
所述传输系统模型的信号传输方法包括以下步骤：(1.1)分别通过第一时隙和第二时隙将两个用户节点的信号分别传输至所述半双工中继节点：在所述第一时隙，通过预设的降噪因子对所述半双工中继节点接收的信号进行线性降噪处理；在所述第二时隙，使所述半双工中继节点将其接收的信号放大转发至目的节点；(1.2)在上行链路中按照信道质量由高到低的顺序，对所述目的节点接收的信号进行解码：先对信道系数为
Figure FDA0003130754780000071
的信号进行检测，获取对应的信噪比，再对信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000072
的信号进行噪声处理，获取对应的信噪比；其中，定义信道系数为
Figure FDA0003130754780000073
的信号为检测信号，信道系数分别为
Figure FDA0003130754780000074
的信号为噪声信号；
上边界获取模块，其用于使
Figure FDA0003130754780000075
与
Figure FDA0003130754780000076
趋近，边界简化处理所述目的节点的接收信号，以获取所述检测信号和所述噪声信号的上边界；
分解模块，其用于将所述检测信号和所述噪声信号的上边界分别分解成含有两个独立随机变量的子信号，且两个独立随机变量分别服从预设参数的指数分布；
误码率获取模块，其用于先计算所述检测信号的矩量母函数，并简化所述矩量母函数，再根据简化的矩量母函数，获取误码率闭式边界公式，并通过所述误码率闭式边界公式计算出平均误符号率的闭式解；以及
功率分配优化模块，其用于根据所述闭式解，对系统整体误码率功率分配进行优化。
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