CN111698045B - 一种基于非正交多址接入的毫米波通信系统中能效功率分配方法 - Google Patents

一种基于非正交多址接入的毫米波通信系统中能效功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种基于非正交多址的毫米波通信系统中能效功率分配方法。本发明以基于非正交多址的毫米波通信系统的能量效率最大化作为优化目标，以每个非正交多址用户的发送功率和基站波束成型矢量为优化变量，利用凸优化理论、分类讨论选择最优的串行干扰消除解码顺序，并得到理想的波束成型增益，然后利用凸松弛理论得到近似的功率分配矢量，进而代入原优化问题求得功率分配。本发明将多维的复杂优化问题分层降维为低维的子问题，以较低的算法复杂度达到了较高的能量效率性能。

Description

一种基于非正交多址接入的毫米波通信系统中能效功率分配 方法
技术领域
本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种基于非正交多址接入的毫米波通信系统中高能效的功率分配方法。
背景技术
随着现代技术的发展，第五代移动通信(5G，the fifth generation of cellularmobile communications)的到来指日可待，5G通信的需求也日渐清晰，其中，追求更高的通信容量是最为迫切的需求之一。为了达到更高的容量，毫米波(mmWave，millimeter-wave)通信技术被认为是未来5G通信中的关键技术之一，同时也是对超密度小区和大规模多输入多输出(MIMO，multiple-input multiple-output)技术的补充。由于可以充分利用低频率通信(如微波通信等)未占用的大量高频段资源，毫米波通信能够获得更高的信道容量。另外，由于较高的传播损耗，毫米波通信更适用于小基站通信场景，这与5G通信的理念也是不谋而合的。
另一方面，当毫米波被用于移动网络通信时，它带来的性能提升会高度依赖于多址接入的方式。由于传统的多址接入技术，如时分多址、频分多址、码分多址等的性能受限于资源块数量，在面对未来5G通信场景中的海量接入设备和接入用户的需求时显得捉襟见肘。不同于传统的正交多址接入(OMA，orthogonal multiple access)技术，非正交多址接入(NOMA，non-orthogonal multiple access)技术能够通过功率域的叠加编码技术，支持不同的用户在相同的频域/时域/码域资源块上同步工作，进而有效地提高资源利用效率。在非正交多址接入系统中，接收设备通过在功率域使用对应的串行干扰消除(SIC，successive interference cancellation)技术，能够有效地区分出各自的信号，从而提高支持的用户数量。
不仅如此，非正交多址接入技术在毫米波通信中的应用更是有着相得益彰的效果。如前面所说，在5G中使用毫米波频段进行通信时，对海量接入设备的支持是将要面临的一个巨大挑战。然而考虑到硬件消耗，毫米波通信中射频(RF，radio-frequency)链路的数量通常远小于天线数量。因此，在一个资源块中能够同时服务的用户数量就大大受限，即不能大于射频链路的数量。在这种情况下，非正交多址则能够支持更多的用户通信，同时能够提升资源利用效率。另外，由于毫米波传播的高指向性特征，用户的信道呈现高度相关，这便于将非正交多址接入技术融合到毫米波通信系统中，即mmWave-NOMA。
mmWave-NOMA系统和传统NOMA系统的一个本质区别就是，mmWave-NOMA系统通常采用基于大量阵列天线的波束成型方案，也就意味着无论是在频谱效率(SE，spectralefficiency)优化还是能量效率(EE，energy efficiency)优化中，功率分配和波束成型矢量的设计都将会相互影响。文献(Zhiguo Ding，Pingzhi Fan，H.Vincent Poor.RandomBeamforming in Millimeter-Wave NOMA Networks[J].IEEE Access，2017，5(99)：7667-76811.)第一次提出了NOMA和mmWave通信结合的理念，并设计了一种mmWave-NOMA系统中的随机导向波束成型算法，该算法只适用于NOMA用户之间距离比较近的场景。文献(BichaiWang，Linglong Dai，Zhaocheng Wang，Ning Ge，Shidong Zhou.Spectrum and EnergyEfficient Beamspace MIMO-NOMA for Millimeter-Wave Communications Using LensAntenna Array[J].IEEE Journal on Selected Areas in Communications，2017，PP(99)：1-1.)提出了一种基于透镜天线阵列的mmWave-NOMA中的多波束功率分配算法，该算法能够打破用户数必须低于射频链路数量的限制，然而，这种功率分配算法只能应用在固定波束成型的系统中。文献(Fang Fang，Haijun Zhang，Julian Cheng，VictorC.M.Leung.Energy-efficient resource allocation for downlink non-orthogonalmultiple access network[J].IEEE Transactions on Communications，2016，64(9)：3722-3732.)中，作者提出了一种结合信道分配和功率分配的优化算法，文献(Yi Zhang，Huiming Wang，Tongxing Zheng，Qian Yang.Energy-Efficient Transmission Design inNon-orthogonal Multiple Access[J].IEEE Trans.Vehicular Technology，2017，66(3)：2852-2857.)提出了一种支持任意数量用户数的NOMA功率分配算法，文献研究了能量效率和频谱效率的权衡方案。然而，这些关于能效优化的研究都没有考虑mmWave信道和波束成型算法。文献(Zhenyu Xiao，Lipeng Zhu，Jinho Choi，Pengfei Xia，Xianggen Xia.Jointpower allocation and beamforming for non-orthogonal multiple access(NOMA)in5G millimeter-wave communications[J].IEEE Transactions on WirelessCommunications，2018，17(5)：2961-2974.)中分析了mmWave-NOMA中针对频谱效率的两用户功率分配算法和波束成型方案，但是关于能量效率则没有展开研究。因此亟需开发一种针对mmWave-NOMA中的高能效的功率分配算法和波束成型方案，以较低的复杂度达到较高的能量效率。
发明内容
发明目的：为提高基于非正交多址接入技术的毫米波通信系统的能量效率，本发明提出了一种针对该系统的高能效的功率分配算法和波束成型方案。该方案充分利用毫米波信道的稀疏性特征，根据用户间的信道差异，以计算和迭代得到分配给每个用户的功率和对应的波束成型矢量。
本发明的技术方案是一种基于非正交多址接入技术的毫米波通信系统中高能效的两用户功率分配算法和波束成型方案，其设计要点包括下面几个步骤：
(1)建立基于非正交多址接入的毫米波通信系统的系统模型和信道模型。
(2)考虑最大化上述系统的能量效率，根据两种解码顺序，分别建立相应的优化问题并将上述问题分解成功率分配子问题和波束成型子问题。
(3)利用坐标下降法来两步迭代求解功率分配子问题的最优解，并判断最优解码顺序。
(4)根据上一步得到的结果建立波束成型子问题，通过凸松弛算法来获得次优的波束成型设计方案；
(5)将上一步求得到波束成型矢量代入到(2)中的问题，通过传统的凸优化算法，求得最终的次优的功率分配和波束成型方案。
对于所述步骤(1)的系统模型和信道模型，说明如下：
(1a)上述系统模型包括一个装配单个射频模块和N根接收天线的基站和两个单发射天线用户，其中两个用户组成一个非正交多址接入用户对，同时向基站发送叠加的用户信号。
(1b)上述信道建模为简化的毫米波信道，仅考虑毫米波传输的多径散射簇中的最强散射分量。
对于所述步骤(2)中优化问题的建立，说明如下：
(2a)上述系统模型的能量效率等于两个用户的总瞬时速率与系统总功耗之比，其中系统总功耗由用户发射功率和静态电路功耗两部分组成。
(2b)以用户的发射功率和基站的接收波束成型矢量作为变量，上述联合能效功率分配和波束成型优化问题的约束条件包括用户的最大发射功率和最小瞬时速率约束、基站的接收波束成型矢量的恒模约束和理想波束成型约束。
(2c)引入接收波束成型增益代替接收波束成型矢量作为新的优化变量得到功率分配子问题，且只在波束成型子问题中考虑接收波束成型矢量的恒模约束。
对于所述步骤(3)中的功率分配子问题的求解方法和最优解码顺序的确定，说明如下：
(3a)根据两种解码顺序，在给定两个用户的功率分配的情况下，分别推导最优的接收波束成型增益，从而将相应的功率分配子问题等效转换成两变量的凸优化问题。
(3b)可利用坐标下降法两步迭代得到(3a)中的凸问题的最优解，其中每步迭代可以推导出相应的闭式解，从而大大降低了复杂度。
(3c)比较由上一步得到两种解码顺序下最优解对应的能量效率，选择最大的作为最优解码顺序。最后，对于所述步骤(3)中的波束成型子问题的求解方法，说明如下：
(4a)利用凸松弛算法将非凸的波束成型子问题转换成M个凸优化子问题并求解之，其中M为候选相位的数量。
(4b)在上一步求得的M个最优解中选择具有最大的目标函数值的解作为原波束成型子问题的次优解。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
提出了一种可行的基于非正交多址接入的毫米波信道的高能效的功率分配算法及对应的波束成型设计方案，能够以较低的复杂度获得较高的能量效率。通过等效代换将波束成型的设计和功率分配分离开来，分别处理两种优化问题，避免了复杂的联合优化过程，并且充分考虑了不同解码顺序对系统总体能量效率的影响。在优化处理的迭代过程，通过坐标下降的手段，尽可能的降低迭代运算的维度，降低优化对硬件资源的消耗，处理流程比较简单，复杂度低。
附图说明
图1为本发明实施例的流程图；
图2为本发明实施例中基于非正交多址的毫米波通信系统的模型图；
图3为实施例的仿真结果与最大功率发送方法的仿真结果对比图。
具体实施方式
为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。
本发明方法中涉及的硬件装置包括一个装配一个射频模块、N根毫米波天线的基站，两个接受服务的单天线用户设备，如附图3所示。定义hi＝λiai(N，θi)为第i个用户(i＝1，2)到基站的信道矢量，λi、θi和ai(N，θi)分别表示用户i的毫米波最强散射分量对应的复路径增益、到达角和导向矢量，pi为用户i的发射功率，PC为系统的静态电路能耗，w＝[w1，…，wN]为基站的接收波束成型矢量，σ2为基站复高斯白噪声的功率。不妨假设用户1的信道条件好于用户2。
本发明涉及的基于非正交多址接入的毫米波通信系统的功率分配方法和波束成型方案，包括以下几个步骤：
步骤1：通过信道估计获得每个用户到基站的信道状态信息hi。
步骤2：考虑两种不同的解码顺序，分别称之为情况1(用户1的信号先被解码)和情况2(用户2的信号先被解码)，对应的联合能效功率分配和波束成型优化问题可表示如下：
Figure BSA0000180437250000041
其中
Figure BSA0000180437250000042
表示情况j(j＝1，2)下的系统能量效率，约束
Figure BSA00001804372500000411
表示接收波束成型矢量的恒模约束，即该矢量的每个元素有相同的幅度，约束
Figure BSA00001804372500000412
表示理想波束成型约束，约束
Figure BSA00001804372500000413
表示两个用户的最大发射功率约束，约束
Figure BSA00001804372500000414
表示两个用户的最小速率约束。
由于上述问题非凸，不易求解，可将上述问题分解成功率分配子问题和波束成型子问题，从而得到次优解。其中功率分配子问题如下：
Figure BSA0000180437250000043
根据约束
Figure BSA00001804372500000410
可以用(N-c1/|λ1|2)|λ2|2代替c2，将功率分配子问题降级为三变量优化问题。代入用户1和用户2的速率约束，可以证明，在给定p1和p2下，若|λ1|2p1≥|λ2|2p2，则最优解中c1满足
Figure BSA0000180437250000044
此时先解码用户1的信号；若|λ1|2p1＜|λ2|2p2，则最优解中c1应满足
Figure BSA0000180437250000045
此时先解码用户2的信号。
因此，将|λ1|2p1≥|λ2|2p2和|λ1|2p1＜|λ2|2p2代入约束将原问题分为两种情况分析，并将c1对应的最优解形式代入能效表达式中，可以证明，此时
Figure BSA0000180437250000046
的分子对数内部分关于p1和p2的海森矩阵是半负定的，进而可以证明
Figure BSA0000180437250000047
关于p1和p2是严格伪凹的。并且所有的约束条件构成的可行域是凸集，此时可用标准的凸优化处理程序进行两变量优化问题求解，如坐标下降(CD，coordinate descent)、梯度下降(GD，gradient descent)等等。其中可利用坐标下降法两步迭代求解上述凸问题，其中每步迭代可以推导出相应的闭式解，从而大大降低了复杂度。比较两种情况最优解对应的能量效率，选择能效最高的作为最优解码顺序
步骤3：根据步骤2得到的最优解中的c1和c2设计合适的w，使得
Figure BSA0000180437250000048
和
Figure BSA0000180437250000049
分别尽可能地逼近c1和c2。通过对波束成型子问题进行合理松弛运算，可以等效转换为M个凸优化问题：
Figure BSA0000180437250000051
其中，M为候选相位的数量。通过求解这M个子问题得到M个候选w，选择使目标函数最大化的w作为次优的波束成型矢量。
步骤4：由步骤3可以得到次优的波束成型矢量，将其代入到原能效优化问题中，即可得到一个关于p1和p2的简化问题，同样的，该问题是一个标准的凸优化问题，可以用凸优化算法直接解决。
为了说明本发明算法的有效性，通过MATLAB平台模拟仿真，验证本发明在不同最大发送功率限制条件下的能量效率，如图3所示。
仿真中为了便于分析，设置每个用户的最大发送功率都等于一个特定值Pmax。附图3中给出了毫米波通信系统在不同Pmax下的能量效率值。其中，理论值表示步骤2计算出的理想波束成型增益对应的性能，仿真值表示步骤3计算出的实际近似波束成型增益对应的性能；方法1代表本发明提出的方法，方法2代表用户以最大功率发送的方法。仿真结果表明，本发明所提出的方法能显著提高基于非正交多址的毫米波通信系统的能量效率性能。从图3中可以看出，随着用户发送功率上限Pmax的增大，方法1中系统的能量效率先增大，后达到饱和。而用户以最大发送功率发送的方法2，在Pmax较小的时候，能取得与方法1近似的能效性能，而Pmax较大的时候，能量效率会急剧下降，此时发送功率的增加带来的速率提升效果要低于自身带来的功率损耗。
综上所述，本发明提出的方法能够获得有效提高基于非正交多址的毫米波通信系统的能量效率的功率分配，同时方法实现的步骤较为简单，复杂度低，效果显著。这充分说明了本发明提出的一种基于非正交多址的毫米波通信系统中高能效的功率分配方法的有效性。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种基于非正交多址接入的毫米波通信(mmWave-NOMA)系统中能效功率分配和波束成型的方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)建立mmWave-NOMA系统的系统模型，该系统模型包括一个装配单个射频模块和N根接收天线的基站和两个单发射天线用户，然后对毫米波信道进行建模；
(2)最大化上述系统的能量效率，即两个用户的总瞬时速率与系统总功耗之比，其中系统总功耗由用户发射功率和静态电路功耗两部分组成；考虑两用户信号解码的先后顺序不同，即用户1信号先解码和用户2信号先解码两种情况，分别建立这两种情况下有着接收波束成型矢量的恒模约束，理想波束成型约束，两用户发射功率约束以及最小速率约束条件时的系统能量效率优化模型，其中引入波束成型增益作为新的优化变量得到功率分配子问题；然后在波束成型子问题中求解次优的接收波束成型矢量；
(3)利用凸优化工具来求解功率分配子问题的最优解，并判断最优解码顺序，然后根据上一步得到的结果建立相应的波束成型子问题，通过凸松弛算法来获得次优的波束成型设计方案；
(4)将上一步求得到波束成型矢量代入到(2)中的问题，通过传统的凸优化算法，求得最终的次优的功率分配和波束成型方案。
2.根据权利要求1所述的 一种基于非正交多址接入的毫米波通信系统中能效功率分配和波束成型的方法，所述的功率分配子问题的求解方法、最优解码顺序的确定以及波束成型子问题的求解方法，其特征在于所述步骤(3)包括：
(3a)根据两种解码顺序，在给定两个用户的功率分配的情况下，分别推导最优的波束成型增益，从而将相应的功率分配子问题等效转换成两变量的凸优化问题并求解之；
(3b)可利用凸优化工具求解(3a)中的凸问题，其中可利用坐标下降法两步迭代求解，且每步迭代可以推导出相应的闭式解，从而大大降低了复杂度；
(3c)比较由上一步得到的两种解码顺序下最优解对应的能量效率，选择最大的作为最优解码顺序；
(3d)基于上一步的结果，利用凸松弛算法将非凸的波束成型子问题转换成M个凸优化子问题并求解得到M个最优解，其中M为候选相位的数量；在这些子问题的最优解中选择具有最大的目标函数值的解作为原波束成型子问题的次优解。
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