CN110602722B - 一种基于noma的联合内容推送和传输的设计方法 - Google Patents

一种基于noma的联合内容推送和传输的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了使用非正交多址(NOMA)技术进行联合的内容推送和传输的设计方法。辅助节点可以缓存部分文件，并实现无线携能通信(SWIPT)功能。传输方案划分为两个阶段。在第一个阶段，基站通过NOMA的方式将叠加信号传送给小区中心用户和辅助节点，来实现内容传输和推送。在第二个阶段，辅助节点使用收集到的能量进行内容缓存，并为小区边缘用户传送内容。在该传输策略下，本发明构建了和速率最大化问题。由于原问题的非凸性，本发明采用内外层优化的方法求解该问题。在内层优化中，采用半正定松弛以及连续凸近似等方法，将原问题转化为凸问题求解，可以得到最佳的基站发射波束成形矢量；在外层优化中，采用一维线性搜索的方法获得最佳的功率分离因子。

Description

一种基于NOMA的联合内容推送和传输的设计方法
技术领域
本发明涉及在可缓存蜂窝网络中，同时实现内容传输和推送的传输方案设计。确切地说，通过联合设计基站的波束成形矢量和辅助节点的功率分离因子，在保证所有用户接收到的信号满足最小信干噪比(SINR)要求的前提下，使小区中心和边缘用户的和速率达到最大，属于无线通信领域的技术。
背景技术
近几年来，由于智能设备的快速发展和普及，移动数据流量飞速增长，在这其中将会有超过78％的数据产生于实时视频业务。然而，在这些海量的视频数据中，存在大量冗余的内容，即同一视频流会在一段时间内被多次传送，这将会大大增加系统的能量消耗和用户的服务时延。为了解决上述提到的内容复用问题，无线缓存被视为行之有效的技术，并得到了工业界和学术界的广泛关注。
无线缓存是指在业务空闲时段提前将受欢迎的视频内容放置在网络边缘节点(比如基站或者用户设备)的本地缓存器中。当用户需要的内容可以在本地存储器中获取时，将不通过回程链路向核心网请求相应的内容，而是直接在本地获取相关的视频内容。这种内容传输机制将会有效地缓解回程网的业务传输负担并且降低业务延迟。目前，可以证明缓存机制在设备到设备(D2D)通信、超密集网络、异构网络以及云接入网等多种场景中均会带来较大的系统性能增益。需要注意的是，当用户的视频文件请求发生变化时，需要及时更新缓存文件，以提高缓存击中概率，提升系统性能。
由于非正交多址技术(NOMA)技术在提升频谱效率(SE)方面显示了巨大的潜力，它得到了广泛的关注，并被视作未来通信中的关键技术。通过NOMA，众多用户可以在相同的资源块上同时被服务，并且会为不同的用户分配不同的发射功率。除了SE，能量效率(EE)也被当作关键的系统性能指标。通过从周围的射频信号中收集能量，网络的EE可以得到改善。因此，无线携能通信(SWIPT)技术得到了广泛的研究和重视。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是在可缓存的蜂窝网络中，实现基于NOMA的联合内容推送和传输方案设计。本发明考虑的是下行的蜂窝网络，包括一个基站、一个辅助节点和两个用户。基站位于小区中心，辅助节点位于小区覆盖范围内，两个用户分别位于小区中心用户和小区边缘。基站可以通过下行NOMA传输的方式实现联合的内容推送和传输，辅助节点更新缓存内容，收集来自基站的能量，并将收集到的能量用于向小区边缘用户传送所需内容。本发明可以很方便地扩展到更多用户的场景。所述方法包括下列四个操作步骤：
(1)辅助节点部署：辅助节点可以是网络中的微基站、中继节点或者D2D设备等，需要为它配备一定的缓存空间，并提前缓存受欢迎的内容文件。同时，该节点还可以实现SWIPT功能。具体来讲，该节点可以接收来自基站的发射信号，一部分的信号能量用于信号解码，该部分能量所占总能量的比值，用β表示，并称β为功率分离因子。(1-β)部分的信号能量被收集储存起来。
(2)基站叠加信号传输：在第一个阶段，通过下行NOMA传输，小区中心用户和边缘节点所需的数据符号叠加传送给小区中心用户和辅助节点，以实现联合的信息传输和内容推送。
基站传输的NOMA叠加信号可以表示为x＝w1x1+w2x2，其中w1∈CM×1和w2∈CM×1分别表示基站对小区中心用户以及辅助节点的发射波束成形矢量，M是基站的发射天线的数量，x1和x2分别表示小区中心用户以及辅助节点(小区边缘用户)请求的数据符号。在该方案中，为了保证两个用户的公平性，辅助节点的最低服务质量(QoS)要求高于小区中心用户的最低QoS要求，即γh≥γu。小区中心用户的接收信号表示为
Figure BDA0002204650400000021
其中h1∈CM×1表示基站与该用户间的信道增益，z1表示该用户的加性高斯白噪声(AWGN)。基站与用户(辅助节点)间的信道增益包括大尺度衰落和小尺度衰落。大尺度衰落的模型为d-α，其中d表示基站与用户(或者辅助节点)间的距离，α表示路径损耗指数。基于此，可以得到该用户的接收SINR为
Figure BDA0002204650400000031
其中
Figure BDA0002204650400000032
表示中心用户的AWGN方差。
当中心用户成功获得所需信号，辅助节点需要解码x2。根据中心用户和辅助节点不同的QoS等级，x1首先被解码。通过串行干扰消除(SIC)，当该信号被成功解码后，可以从叠加信号中删除，然后辅助节点可以获得x2。当辅助节点解码x1时，接收SINR可以表示为
Figure BDA0002204650400000033
其中
Figure BDA0002204650400000034
表示辅助节点的AWGN方差。通过SIC，辅助节点解码x2时的信噪比(SNR)为
Figure BDA0002204650400000035
(3)辅助节点的内容更新、能量收集以及信息传输：当小区边缘用户需要的内容已经在辅助节点中缓存，此时该节点将接收到的信号能量全部收集；当小区边缘用户需要的内容不能在辅助节点的本地缓存器中获得时，该节点需要将接收到的信号解码，并对缓存的内容进行更新，同时剩下的部分能量用于能量收集。然后，辅助节点利用收集的能量，缓存内容文件，同时向小区边缘用户传送所需的文件内容。
首先，由于辅助节点的缓存尺寸受限，假设它只能缓存一个视频文件。那么，当小区边缘节点的相邻两次的视频请求不一样时，辅助节点需要将基站推送的信号解码，更新缓存内容。该事件的概率是
Figure BDA0002204650400000036
视频文件的请求概率服从Zipf分布，第f个文件的请求概率可以表示为
Figure BDA0002204650400000037
在其中，F表示文件总数，α1表示Zipf分布的偏态参数。
当需要进行内容更新时，有一部分的接收信号能量需要用于信息解码，剩下的部分才能用于收集储存。在这种情况下，辅助节点收集到的能量可以表示为
Figure BDA0002204650400000041
其中τ1表示基站用于下行NOMA传输的时间。辅助节点将收集到的能量用于下一阶段的信息传输和内容缓存。对于缓存能量消耗，它的大小与所存储的数据比特数成正比，可以表示为Lcca(τ1+τ2)。在该表达式中，L表示缓存的文件尺寸，cca表示内容缓存消耗指数，τ2表示辅助节点在第二阶段的信息传输时间。不失一般性地，假设τ1＝τ2。因此，辅助节点用于信息传输的信号强度可以表示为
Figure BDA0002204650400000042
另一方面，当小区边缘用户的相邻视频请求不变时，辅助节点不用进行信息解码。接收到的能量全部用于内容缓存和下一阶段的信息传送。在这种情况下，辅助节点的发射功率为
Figure BDA0002204650400000043
在第二个阶段，辅助节点将信号x2发送给小区边缘用户。发射信号为
Figure BDA0002204650400000044
其中g表示辅助节点与边缘用户之间的信道增益，z2表示边缘用户的AWGN。那么，在接收端，小区边缘用户的SNR为
Figure BDA0002204650400000045
其中
Figure BDA0002204650400000046
为边缘用户的AWGN方差，并且
Figure BDA0002204650400000047
(4)最大化和速率的优化问题建模及求解：在设计的两阶段的传输方案下，目标是最大化用户的和速率。通过内外层优化的方法，可以得到最佳的基站发射波束成形矢量以及功率分离因子。
(41)在最低的用户QoS需求的约束下，目标是最大化小区中心用户和边缘用户的和速率，该优化问题可以建模为
Figure BDA0002204650400000051
Figure BDA0002204650400000052
Figure BDA0002204650400000053
Figure BDA0002204650400000054
Figure BDA0002204650400000055
|w1|2+|w2|2≤Pmax，
β∈(0,1)。
在上述的优化问题中，第一个和第四个约束条件可以分别保证小区中心用户和边缘用户的最低QoS需求；第二个和第三个约束分别用来确保辅助节点可以成功解码信号x1和x2；另外，第五个约束条件用来限制基站的最大发射功率，最后一个约束则给出了功率分离因子的取值范围。
(42)构建的最大化和速率的优化问题是非凸的，需要将原问题转化为凸问题求解。基于此，本发明提出内外层优化的方法。首先，在内层，当功率分离因子固定时，需要求得最佳的波束成形矢量。定义矩阵
Figure BDA0002204650400000056
和
Figure BDA0002204650400000057
为了便于求解，忽略矩阵Wi的非凸的秩1约束；然后，引入松弛变量γk，它满足
Figure BDA0002204650400000058
以及
Figure BDA0002204650400000059
基于上述转化，原优化问题可以表示为
Figure BDA00022046504000000510
Figure BDA00022046504000000511
Figure BDA00022046504000000512
Figure BDA00022046504000000513
Figure BDA00022046504000000514
Figure BDA00022046504000000515
Tr(W1)+Tr(W2)≤Pmax,
γ1≥γu,γ2≥γu,γ3≥γu。
转化后的优化问题的第一个约束(即
Figure BDA00022046504000000516
)的凹凸性未定。因此，先给出一个凸形式的约束。对于凸函数f(x)和凹函数h(x)，形如f(x)≤h(x)的约束是一个凸约束。对于函数g(x,y)＝xy，它是关于变量x和y的拟凹函数，因此第一个约束条件不是凸的。为了将其转化为凸约束，该约束的左侧部分可以通过代数几何均值不等式进行近似。近似后的约束条件可以表示为
Figure BDA0002204650400000061
其中，
Figure BDA0002204650400000062
Figure BDA0002204650400000063
和
Figure BDA0002204650400000064
分别表示在第n次迭代时得到的最佳的γ1和W2。经过上述的转化，内层优化问题可以表示为
Figure BDA0002204650400000065
Figure BDA0002204650400000066
Figure BDA0002204650400000067
Figure BDA0002204650400000068
Figure BDA0002204650400000069
Figure BDA00022046504000000610
Tr(W1)+Tr(W2)≤Pmax,
γ1≥γu,γ2≥γu,γ3≥γu。
经过以上步骤，已经将内层的非凸优化问题转化为了一个复杂度较低的二阶锥规划(SOCP)问题。该问题可以通过现有的CVX优化工具箱(例如SeDuMi)求解。需要注意的是，在执行该算法时，需要选取合适的初始值，然后将转化后的问题迭代求解，直至算法收敛得到最优解。当得到了最佳的波束成形矩阵W1和W2时，如果矩阵的秩为1，可以通过特征值分解的方法得到相应的波束成形矢量，否则可以通过高斯随机化的方法获得该矢量。
(43)在外层优化中，需要确定最佳的功率分离因子。由于该变量的可行取值范围在0到1之间，因此可以通过一维线性搜索获得其最佳值。
本发明中，对于联合的内容推送和传输问题，提出了基站的发射波束成形矢量和辅助节点的功率分离因子的联合设计方法。其优点是，所提的传输方案可以获得更好的SE性能，同时节约系统能量。提出的优化问题是一个复杂的非凸问题，难以获得全局最优解。为解决这个问题，本发明采用了内外层优化的方法求解该问题。在内层优化中，采用半正定松弛、连续凸近似以及算数几何均值不等式等方法将它转化为一个复杂度较低的SOCP问题，以便求得局部最优解；在外层优化中，采用一维线性搜索的方法获得功率分离因子的最佳值。本发明是一种可以提升网络SE和EE，同时实现联合内容推送与传送的行之有效的传输方案设计。
附图说明
图1是本发明的应用场景：存在可缓存辅助节点的联合内容传输与推送方案的通信系统模型图。
图2是本发明中基于NOMA的联合内容推送和传输方案设计的流程图。
图3是本发明实施例中，内层优化迭代算法的收敛速度仿真图。
图4是在本发明实例中，当基站发射功率变化时，用户和速率随之变化的仿真图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
参见图1，本发明的应用场景是：下行的蜂窝网络，包括一个基站、一个辅助节点和两个用户。两个用户分别为小区中心用户和小区边缘用户。小区中心用户距基站较近，小区边缘用户则距基站较远。基站位于小区中心，辅助节点位于小区覆盖范围内。在第一个传输阶段，基站可以通过下行NOMA传输的方式实现联合的内容推送和传输。根据已缓存的内容以及小区边缘节点的视频请求，辅助节点决定是否更新缓存内容，同时收集来自基站的能量。在第二个阶段，辅助节点将收集到的能量用于内容缓存和向小区边缘用户传送所需内容。
本发明的目标是在保证接收信号的SINR满足最低的QoS需求的前提下，最大化用户的和速率性能。首先，在内层优化中，原问题是个复杂的非凸问题，难以获得全局最优解，因此，采用半正定松弛、连续凸近似以及算数几何均值不等式等方法，将原问题转化为一个复杂度较低的SOCP问题，迭代求解得到局部最优解。在求解这个SOCP问题时，需要寻找可行的迭代初始点，目前采用的方法是穷搜法。在外层优化中，可以通过一维线性搜索的方法得到最佳的功率分离因子。
为了展示本发明的实用性，进行了多次仿真实施试验。试验系统中的网络模型为图1所示的应用场景，仿真试验的结果如图2和3所示。在图3的基准方案中，展示了没有配备辅助节点时用户的和速率性能。
以上所述仅为本发明的较佳实例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (1)

1.一种基于非正交多址接入(NOMA)的联合内容推送和传输的设计方法，该方法用于下行的蜂窝网络：包括一个基站、一个辅助节点和两个用户，基站位于小区中心，辅助节点位于小区覆盖范围内，两个用户分别位于小区中心和小区边缘；
(1)辅助节点部署：辅助节点配备了内容缓存功能，内容文件可以被提前地放置到该节点的本地缓存中；同时，该节点还可以实现无线携能通信功能，即接收到的能量一部分用于信号解码，另一部分用于能量收集；
(2)基站叠加信号传输：通过下行NOMA传输，将小区中心用户和边缘用户所需的数据符号叠加传送给小区中心用户和辅助节点，实现联合的信息传输和内容推送；
(3)辅助节点的内容更新、能量收集以及信息传输：当小区边缘用户需要的内容已经在辅助节点中缓存，此时该节点将接收到的信号能量全部收集；当小区边缘用户需要的内容没有在辅助节点缓存，该节点需要将接收到的信号解码，同时对缓存的内容进行更新，并将剩余的部分能量用于能量收集；然后，辅助节点利用收集的能量，进行内容缓存，并向小区边缘用户传送所需的文件内容；
(4)最大化和速率优化问题建模及求解：在用户端的接收信号满足最低的接收信干噪比(SINR)的约束下，构建最大化用户和速率的优化问题；采用内外层优化的方法，在内层优化中，当功率分离因子固定时，通过半正定松弛、连续凸近似以及代数几何均值不等式，将原问题转化为凸的二阶锥规划问题求解，得到最优的基站发射波束成形矢量；在外层优化中，根据不同功率分离因子下获得的最优基站波束成形矢量，计算用户的和速率，并通过一维线性搜索的方法获得使用户和速率达到最大的功率分离因子。
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