CN111464263A - 一种直径与中继协作的noma无线信息与能量传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，首先信源节点广播叠加编码信号到中继节点和两个用户，中继节点对接收到的射频信号进行功率分流并实现能量采集和信号译码；接着，中继节点产生新的叠加信号，并利用采集的能量将新的叠加信号转发给两个用户；分别对两个用户利用直径传输和中继传输形成接收信号正交结构，采用线性合并恢复出期望信号。本发明的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，由于采用了旋转/反射矩阵来形成直径传输和中继传输的正交结构，使得接收机可以采用线性合并来检测用户信号，有效降低了接收机的复杂度，有效提高了系统用户的中断性能，保证了用户信号的可靠传输。

Description

一种直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法

技术领域

本发明涉及一种直径和中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，更具体的说，尤其涉及一种采用直径传输和中继节点协作传输的NOMA多用户的无线信息与能量传输，然后利用直径传输和中继传输形成正交结构的特点，在接收机进行线性合并来恢复期望的用户信号的方法。

背景技术

由于能够为工业物联网提供大规模的异构无线通信，功率域的非正交多址(non-orthogonal multiple access，NOMA)技术得到了工业界和学术界的广泛关注。功率域NOMA技术通过在功率域进行多个用户信号的叠加，从而使多个用户能够共享同一个时/频/码资源。此外，通过采用中继节点的辅助，协作的NOMA传输可以取得更好的系统性能。当协作的NOMA在取得增强的用户公平性和系统性能的时候，中继节点不得不消耗能量来进行接收和转发信号。对能量受限的中继节点，这种方式会导致该节点很快耗尽其存储的能量。无线信息与能量同步传输是对能量受限的中继传输的一种极具应用价值的技术。通过该技术，中继节点能够从接收到的射频信号中采集能量，并用于信号的转发。在文献“Cooperativenonorthogonal multiple access with simultaneous wireless information andpower transfer”(Y.Liu,Z.Ding,M.Elkashlan,and H.V.Poor,IEEE J.Sel.AreasCommun.,vol.34,no.4,pp.938–953,Apr.2016)中，针对随机分布的远用户和近用户，进行了基于用户选择的协作NOMA无线信息与能量同步传输。在文献“Power splittingprotocol design for the cooperative NOMA with SWIPT”(Y.Ye,Y.Li,D.Wang,andG.Lu,in Proc.IEEE ICC 2017,Paris,France,pp.1–6,21-25May 2017)和文献“A BNBFuser selection scheme for NOMA-based cooperative relaying systems with SWIPT”(N.T.Do,D.B.da Costa,T.Q.Duong,and B.An,IEEE Commun.Lett.,vol.21,no.3,pp.664–667,Mar.2017)中，针对改进的功率分流协议分别提出了基于最佳近用户和最佳远用户的用户选择机制并将其应用于协作NOMA的无线信息与能量同步传输。与上述NOMA无线信息与能量传输方法不同，文献“The impact of power allocation on cooperative non-orthogonal multiple access networks with SWIPT,”(Z.Yang,Z.Ding,P.Fan,andN.Al-Dhahir,IEEE Trans.Wireless Commun.,vol.16,no.7,pp.4332–4343,July 2017)提出了一种采用专用的能量采集中继节点，并同时服务于两个远用户的D-DF方法。该方法采用了固定功率分配和认知功率分配，可以取得比正交多址方案更优的中断性能。然而，在高密度的异构型物联网中，在信源节点附件可能存在着大量的空闲用户。针对协作NOMA的无线信息与能量同步传输，可以激活这些空闲用户来作为临时的中继节点。由于直径传播广泛存在于物联网、宏蜂窝、微蜂窝和小蜂窝通信系统中，针对协作NOMA的无线信息于能量同步传输，采用直径传播来增强中继系统性能具有实际的意义。

但在目前的中继协作NOMA的无线信息与能量传输方法中，能够充分利用直径传播和中继协作的方法还缺乏成功的先例。没有充分利用直径传播来配合中继传播，现有协作NOMA的无线信息与能量传输方法所取得的系统中断性能比较低。

在本发明中，发明人针对NOMA下行链路系统提出了一种直径和中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法。在本方法中，通过直径传输信道和中继转发信道形成接收信号的正交结构，从而使接收机能够以线性合并的方式恢复期望用户信号，起到减小接收机复杂度和降低系统中断概率的效果。

发明内容

本发明为了克服上述技术问题的缺点，提供了一种直径和中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法。

本发明的直径和中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，对于一个服务两个用户的NOMA下行链路传输系统，信源节点对两个用户的叠加信号进行广播，中继节点对接收到信号进行功率分流并实现能量采集和信号译码；另一个用户的信号不进行分拆，被分拆用户形成两个虚拟用户；步骤二，中继节点产生新的叠加信号，并利用采集的能量将新的叠加信号转发给两个用户；分别对两个用户利用直径传输和中继传输形成接收信号正交结构；步骤三，用户接收端采用线性合并恢复出期望信号。

本发明的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，所述步骤一通过以下分步骤来实现：

a)叠加信号广播；对于一个服务两个用户的NOMA下行传输系统，其包含一个信源节点、一个中继节点和两个用户U₁和U₂，两个用户都是远用户，分别记信源到中继、信源到用户U_i和中继到用户U_i的信道为h_sr、h_si和h_ri，i＝1，2；发射给用户U₁和U₂的信号分别记为x₁和x₂；每一次下行传输包括两个时隙；在第一时隙中，信源节点广播的叠加编码信号为：

公式(1)中，P_s是信源发射功率，α_i是功率分配系数，该系数满足

和α_i≥0；

b)中继和用户接收信号；在第一时隙，中继节点和用户U_i收到的信息信号分别为：

和

公式(2)和(3)中，n_r和

代表中继节点和用户U_i的加性白高斯噪声；在第一时隙，用户U_i不对接收信号进行译码，中继节点对接收信号进行译码分别获得对x₁和x₂的检测结果；中继节点对译码x₁和x₂所取得的信噪比分别为：

公式(4)中，ρ＝P_s/σ²代表信源发射信噪比。

本发明的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，所述步骤二通过以下分步骤来实现：

c)中继节点功率分流；中继节点的功率分流系数满足

和

其中

且R_i代表发送x_i的目标传输速率；功率分流系数按以下方式计算：

公式(5)中，g_sr＝|h_sr|²，

利用在第一个时隙内采集的能量，中继节点在第二个时隙内进行转发的发射功率为:

P_r＝ηβ^*P_sg_sr (6)

式中，η是综合考虑了电池充电和放电因素后的能量转换效率；

d)中继节点转发新的叠加信号；在检测完x₁和x₂后，中继节点产生新的转发信号

相应的，用户U_i在第二个时隙内接收的信号可以表示为:

公式(8)中，

代表用户U_i在第二个时隙内的加性白高斯噪声。

本发明的直径与中继协作NOMA无线信息与能量传输方法，所述步骤三通过以下分步骤来实现：

e)常规NOMA信号检测；当g_sr≤ε时，用户U_i进行常规的NOMA信号检测；用户U₁检测信号x₁的接收信噪比为：

式中，g_s1＝|h_s1|²；用户U₂检测x₁和x₂的接信噪比分别为：

和

公式(10)和(11)中，g_sr＝|h_sr|²；

f)线性合并信号检测；当g_sr＞ε发生时，用户U_i在两个时隙内接收到的信号为：

公式(12)中，矩阵

为功率分配矩阵，其一般形式为旋转或反射矩阵，例如：

公式(13)中，θ∈[0,π/2]；使用I₂表示2×2的单位矩阵，由于

满足，则公式(12)中的接收信号形式在接收端形成了正交结构，从而使每个接收机能够采用简单的线性合并来恢复期望信号；用户U₁和U₂检测x₁和x₂的线性合并方式为

和

用户U₁和U₂获得

和

之后，即可进行通信系统接收机的其它处理环节。

本发明的有益效果是：本发明的直径和中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，中继节点从接收信号中按功率分流采集能量，并将中继转发信号与直径传输信号形成正交结构，使用户接收机采用线性合并来恢复期望信号，可有效降低接收机的复杂度，可有效降低系统用户的中断概率，保证了用户信号的可靠传输。

附图说明

图1为一个服务两用户的NOMA下行传输系统的示意图；

图2为本发明中信源节点发射端功能模块结构示意图；

图3为本发明中中继节点的能量采集和信号转发原理示意图；

图4为本发明中用户接收机功能模块结构示意图；

图5为验证本发明的方法的系统中断性能所进行了仿真实验的参数；

图6为采用本发明的方法时发射功率对对中断概率的影响结果图；

图7为采用本发明的方法时目标传输速率对中断概率的影响结果图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

由于直径传输广泛存在物联网、宏蜂窝、微蜂窝和小蜂窝通信系统中，针对中继协作NOMA的无线信息于能量同步传输，本发明提出采用直径传播和中继传播协作的无线信息与能量传输的具体实现方法。为了降低中断概率，本发明利用二维旋转矩阵的正交结构，使直径传输和中继传输形成正交，设计了接收机的线性合并检测方法；对中继节点的功率分流，给出了功率分流系数的表示式。

本发明提出了一种直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，通过具有能量采集功能的中继节点形成与直径传输正交的中继传输路径，用户接收机采用线性合并来恢复信号，极大地降低了接收机的复杂度，并且相比没有利用直径的D-DF方法取得了更低的中断概率，极大地提高了NOMA信号传输的可靠性。

如图1所示，给出了一个服务两用户的NOMA下行传输系统的示意图，包括一个信源节点S，一个具备译码转发功能的中继节点R和两个远用户U₁和U₂。在该通信系统中，假设所有节点配置了单一天线。各个节点配置多个天线的场景也适用于本发明所提出的方法。所有的节点工作在半双工模式。将从信源到中继、从信源到用户U_i和从中继到用户U_i的信道分别记为h_sr、h_si和h_ri，其中i＝1和2。将信源向用户U_i发出的信号记为x_i，假定信源信号具有零均值和单位方差，并假定用户接收机的加性白高斯噪声具有零均值和方差σ²。对配对用户U₁和U₂，假定用户U₁具有较低的目标速率但需要实时服务，假定用户U₂相比用户U₁更具有延迟忍耐性但需要更高的吞吐量。本发明所提方法也可以适用于按照信道质量进行用户配对的情况。

在本发明所提的方法中，每一次下行传输包括两个时隙。在第一时隙中，信源节点广播叠加编码信号为

公式(1)中，P_s是信源发射功率，α_i是功率分配系数，该系数满足

和α_i≥0。图2给出了信源节点发射机的结构模块图。

为描述中继节点的处理流程，图3给出了中继节点的能量采集和信号转发功能示意图。在中继节点，采用功率分流技术将接收到的射频信号进行分流。将功率分流系数记为β，接收到的射频信号按照β:1-β的比例进行功率分流，分流后的信号分别用于能量采集和信息检测。在第一时隙，中继节点和用户U_i收到的信息信号可以分别表示为

和

公式(2)和(3)中，n_r和

代表中继节点和用户U_i的加性白高斯噪声。假定用户U₁的服务质量要求比用户U₁的服务质量要求要高，则中继节点进行连续干扰消除的译码顺序为从U₁到U₂。中继节点对译码x₁和x₂所取得的信噪比分别为

公式(4)中，ρ＝P_s/σ²代表信源发射信噪比。在另一方面，每个用户在第一时隙内不对其接收的信号进行译码，而是等待中继的转发。为了保证中继节点对x₁和x₂进行正确译码，功率分流系数需要满足

和

其中

且R_i代表发送x_i的目标传输速率。因此，功率分流系数可以按以下方式计算来获得：

公式(5)中，g_sr＝|h_sr|²，

利用在第一个时隙内采集的能量，中继节点在第二个时隙内进行转发的发射功率为

P_r＝ηβ^*P_sg_sr (6)

公式(6)，η是综合考虑了电池充电和放电因素后的能量转换效率。在(5)中，已经忽略了从中继节点接收天线噪声中获取的能量。在检测完x₁和x₂后，中继节点产生新的转发信号

相应的，用户U_i在第二个时隙内接收的信号可以表示为

公式(8)中，

代表用户U_i在第二个时隙内的加性白高斯噪声。取决于条件g_sr＞ε(β^*＝0)是否满足，用户接收端采用不同的检测方法。当g_sr≤ε时，有β^*＝0和P_r＝0，则没有信息信号被中继转发，每个用户U_i根据相应的服务质量要求的NOMA译码准则进行信号检测。在此情况下，用户U₁检测信号x₁的接收信噪比为

公式(9)中，g_s1＝|h_s1|²。在用户U₂处，检测x₁和x₂对应的接收信噪比分别为

和

公式(10)和(11)中，g_s2＝|h_s2|²。在另一方面，当g_sr＞ε(0＜β^*＜1)发生时，有P_r＞0，则中继节点转发信号x_r。对应的，可以将用户U_i在两个时隙内接收到的信号写作矩阵形式

公式(12)中，矩阵

为功率分配矩阵，其一般形式可写为旋转或反射矩阵，即

公式(13)中，θ∈[0,π/2]。使用I₂表示2×2的单位矩阵，由于

成立，则公式(12)中的接收信号形式在接收端形成了正交结构，从而使每个接收机能够采用简单的线性合并来恢复期望信号。不失一般性，我们选择公式(13)中的第二个形式来验证系统性能。与此对应，用户U₁和U₂检测x₁和x₂的方式可以分别表示为

和

图4给出了每个用户接收机的结构模块图。由获得的译码信号(14)和(15)，可以看出对

的估值没有受到用户间干扰的影响。在实现公式(14)和(15)时，用户U_i需要获得参数h_si、h_ri、P_s和P_r。通过分析公式(3)和(8)中的叠加信号

和

其功率正好是P_s和P_r。因此，用户U_i只需要获得信道参数h_si和h_ri来计算P_s和P_r。

经过数学推导，用户U₁和U₂分别检测x₁和x₂的接收信噪比可以最终表示为

和

本发明所阐述的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量同步传输方法具有良好的中断性能，且接收机采用线性合并，从而具有更低的复杂度。通过仿真实验，对本发明提出的方法所获得中断性能进行验证。在仿真中，设置信道h_j的路径损失为

其中，d₀和d_j分别为参考距离和信道的实际距离，

是路径损失因子，

是信道h_j的天线增益，

是参考距离处测量的路径损失，

是视线传播的阴影衰落。在仿真实验中，设置节点间的距离为d_sr＝5m、d_s1＝25m、d_s2＝22m、d_r1＝18m和d_r2＝15m。在仿真实验中，除非有其它说明，采用的其它参数如图5所示。为对比起见，仿真实验结果中加入了与没有采用直径的D-DF方法的系统性能的比较。

图6给出了中断概率随信源发射功率变化的结果。在对应于图5的仿真实验中，针对中继信道设置了两组Nakagami-m外形参数，即S₁:＝{m_sr＝3,m_r1＝2,m_r2＝3}和S₂:＝{m_sr＝4,m_r1＝3,m_r2＝4}。从仿真实验结果可以看出，本方法在用户U₁和U₂处，均取得了比D-DF方法更低的中断概率。在场景S₂的10^-2的中断概率水平上，本方法对用户U₁相比D-DF方法取得了大约9dB的发射功率增益。对用户U₂，本方法也接近于D-DF方法对用户U₁取得的中断概率。图6的结果表明：本方法通过利用直径传播的特点，使用户U₁和U₂的中断性能均得到了提高。需要指出，D-DF方法已经取得优于不包括直径的正交多址中继方法，而本发明所提的方法所获得中断性能要远远优于D-DF方法。

图7给出了中断概率随目标速率变化的结果。对应于图7的结果，在仿真实验中设置P_s＝40dBm和R₁＝0.4R₂。注意当R₁和R₂增加时，本方法和D-DF方法取得的中断性能会进一步加大。图7的结果表明：本方法所取得的中断概率首先随着目标传输速率的增加而增加；当目标传输速率达到某一阈值后，中断概率跳跃到1。然而，在中断概率跳跃到1之前，本方法所取得的中断概率要远远小于D-DF方法所取得的中断概率。

综上可知，本发明的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，通过具有能量采集功能的中继节点形成与直径传输正交的中继传输路径，用户接收机采用线性合并来恢复信号，极大地降低了接收机的复杂度，并且相比没有利用直径的D-DF方法取得了更低的中断概率，极大地提高了NOMA信号传输的可靠性。

上述技术方案只是本发明的一种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了应用方法和原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施方式所描述的方法，因此前面描述的方式只是优选的，而并不具有限制性的意义。

Claims (4)

1.一种直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，其特征在于，通过如下步骤来实现：步骤一，对于一个服务两个用户的NOMA下行链路传输系统，信源节点对两个用户的叠加信号进行广播，中继节点对接收到信号进行功率分流并实现能量采集和信号译码；另一个用户的信号不进行分拆，被分拆用户形成两个虚拟用户；步骤二，中继节点产生新的叠加信号，并利用采集的能量将新的叠加信号转发给两个用户；分别对两个用户利用直径传输和中继传输形成接收信号正交结构；步骤三，用户接收端采用线性合并恢复出期望信号。

2.根据权利要求1所述的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，其特征在于，所述步骤一通过以下分步骤来实现：

a)叠加信号广播；对于一个服务两个用户的NOMA下行传输系统，其包含一个信源节点、一个中继节点和两个用户U₁和U₂，两个用户都是远用户，分别记信源到中继、信源到用户U_i和中继到用户U_i的信道为h_sr、h_si和h_ri，i＝1，2；发射给用户U₁和U₂的信号分别记为x₁和x₂；每一次下行传输包括两个时隙；在第一时隙中，信源节点广播的叠加编码信号为：

公式(1)中，P_s是信源发射功率，α_i是功率分配系数，该系数满足

和α_i≥0；

b)中继和用户接收信号；在第一时隙，中继节点和用户U_i收到的信息信号分别为：

和

公式(2)和(3)中，n_r和

代表中继节点和用户U_i的加性白高斯噪声；在第一时隙，用户U_i不对接收信号进行译码，中继节点对接收信号进行译码分别获得对x₁和x₂的检测结果；中继节点对译码x₁和x₂所取得的信噪比分别为：

公式(4)中，ρ＝P_s/σ²代表信源发射信噪比。

3.根据权利要求1所述的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，其特征在于，所述步骤二通过以下分步骤来实现：

c)中继节点功率分流；中继节点的功率分流系数满足

和

其中

且R_i代表发送x_i的目标传输速率；功率分流系数按以下方式计算：

公式(5)中，g_sr＝|h_sr|²，

利用在第一个时隙内采集的能量，中继节点在第二个时隙内进行转发的发射功率为:

P_r＝ηβ^*P_sg_sr (6)

式中，η是综合考虑了电池充电和放电因素后的能量转换效率；

d)中继节点转发新的叠加信号；在检测完x₁和x₂后，中继节点产生新的转发信号

相应的，用户U_i在第二个时隙内接收的信号可以表示为:

公式(8)中，

代表用户U_i在第二个时隙内的加性白高斯噪声。

4.根据权利要求1所述的直径与中继协作的NOMA无线信息与能量传输方法，其特征在于，所述步骤三通过以下分步骤来实现：

e)常规NOMA信号检测；当g_sr≤ε时，用户U_i进行常规的NOMA信号检测；用户U₁检测信号x₁的接收信噪比为：

当g_sr≤ε. (9)

式中，g_s1＝|h_s1|²；用户U₂检测x₁和x₂的接信噪比分别为：

当g_sr≤ε (10)

和

当g_sr≤ε (11)

公式(10)和(11)中，g_sr＝|h_sr|²；

f)线性合并信号检测；当g_sr＞ε发生时，用户U_i在两个时隙内接收到的信号为：

公式(12)中，矩阵

为功率分配矩阵，其一般形式为旋转或反射矩阵，例如：

公式(13)中，θ∈[0,π/2]；使用I₂表示2×2的单位矩阵，由于

成立，则公式(12)中的接收信号形式在接收端形成了正交结构，从而使每个接收机能够采用简单的线性合并来恢复期望信号；用户U₁和U₂检测x₁和x₂的线性合并方式为

和

用户U₁和U₂获得

和

之后，即可进行通信系统接收机的其它处理环节。

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