CN111935842B - 一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法 - Google Patents

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CN111935842B CN202010716630.4A CN202010716630A CN111935842B CN 111935842 B CN111935842 B CN 111935842B CN 202010716630 A CN202010716630 A CN 202010716630A CN 111935842 B CN111935842 B CN 111935842B
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Abstract

本发明公开了一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，包括步骤：S1、根据将所有待调度用户的按照正交多址接入方式保障各自最低数据传输速率的功率值升序排列，并将排序靠前的一半用户作为高信道增益用户集合，而剩余用户作为低信道增益用户集合；S2、根据所述待调度用户的信道增益值更新所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合，采用逐次更新法使所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合满足NOMA成簇原则；S3、进行多轮NOMA分簇方法使所述步骤2更新后的所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合中的用户按照NOMA匹配原则进行多用户的分簇调度。本发明通过拥有较低计算复杂度的多用户调度方法最大化非正交多址接入系统中基站在保证各个用户最低QoS需求前提下溢出功率值。

Description

一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法
技术领域
本发明涉及一种多用户分簇调度方法，特别是涉及一种面向非正交多址接入的低复杂度的多用户分簇调度方法。
背景技术
在非正交多址关键技术中，如何高效和快速地的实现多用户多NOMA簇的用户分簇调度是无线通信研究的重点内容之一。在采用非正交多址接入技术的网络场景中，大量用户存在于网络中且需要通过用户配对的原则进行NOMA分簇的用户调度操作。但是，由于每个用户独立且不同的最小传输速率约束以及信道增益，使得用户分簇调度如何在多个用户间动态、低复杂度的进行成为了面向非正交多址接入多用户网络中的热点和难点。现有的面向非正交多址接入的用户分簇调度方法大部分是以最大化网络吞吐量等性能进行的，且没有考虑用户的最低QoS需求。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，以低计算复杂度方式在尽可能地保证各个用户的最低QoS需求的前提下最大化基站QoS溢出功率值，其定义为基站总功率值与基站恰好满足所有用户最低QoS需求的功率值之间的差值，从而激发更高的基站可售卖功率资源的收益。
本发明技术方案是这样的：一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，包括步骤：S1、根据所有待调度用户的最低QoS需求值和信道增益值，计算用户按照正交多址接入方式保障各自最低数据传输速率的功率值，然后按照该功率值的升序对所有用户进行排列，并将排序靠前的一半用户作为高信道增益用户集合，而剩余用户作为低信道增益用户集合；S2、根据所述待调度用户的信道增益值更新所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合，使所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合满足NOMA成簇原则；S3、进行多轮NOMA分簇方法使所述步骤2更新后的所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合中的用户按照NOMA匹配原则进行多用户的分簇调度。
进一步地，所述步骤S2根据所述待调度用户的信道增益值更新所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合时首先将信道增益值最高的用户归入所述高信道增益用户集合，将信道增益值最低的用户归入所述低信道增益用户集合。
进一步地，完成信道增益值最高以及信道增益值最低的用户更新后，进行n轮迭代更新，每轮所述迭代更新是将所述高信道增益用户集合中的信道增益值最低的用户与所述低信道增益用户集合中的信道增益值最高的用户交换。
进一步地，所述迭代更新的停止条件是更新后的所述高信道增益用户集合及所述低信道增益用户集合所组成的指示向量与多用户的NOMA匹配可用指示矩阵的任意列相匹配。
进一步地，所述多轮NOMA分簇方法包括以下步骤：S301、将所述高信道增益用户集合中用户按照用户所需求保证QoS的最低功率从小到大进行排列，并通过计算相邻用户的最低功率值之比将用户划分为A类用户和B类用户，其中A类用户与B类用户的分界线为功率值之比最小处，即A类用户的需求保证QoS的最低功率远小于B类用户的需求保证QoS的最低功率；S302、将所述高信道增益用户集合中用户按信道增益值升序排序，并从具有最小信道增益值的用户开始以信道增益值从小到大的顺序对用户逐个按步骤303进行NOMA分簇，直至所述高信道增益用户集合中所有用户；步骤303、判断当前用户为A类用户还是B类用户，如果当前用户属于A类用户，则本次分簇得到的NOMA簇由当前用户及所述步骤S2更新后的低信道增益用户集合中可以与当前用户进行NOMA配对的用户集合中拥有最高的最小QoS需求的用户组成，并将已配对构成NOMA簇的低信道增益用户从可以与后续高信道增益用户进行NOMA配对的用户集合中剔除；如果当前用户属于B类用户，则本次分簇得到的NOMA簇由当前用户及所述步骤S2更新后的低信道增益用户集合中可以与当前用户进行NOMA配对的用户集合中拥有最低的最小QoS需求的用户组成，并将已配对构成NOMA簇的低信道增益用户从可以与后续高信道增益用户进行NOMA配对的用户集合中剔除。
本发明与现有技术相比的优点在于：通过最低数据传输速率的功率值排序，使每个NOMA簇的高信道增益用户以减少对低信道增益用户的NOMA簇内干扰，以降低为满足用户最低QoS需求而消耗的功率值；逐次更新法迭代次数的上限为
Figure BDA0002598395330000021
(/>
Figure BDA0002598395330000022
表示正实数x的上取整，M为用户数一般)，多轮NOMA分簇方法的轮数为网络NOMA簇的个数，因此具有较低的计算复杂度。
附图说明
图1为面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明实施例涉及的面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法包括以下步骤：
S1、根据所有待调度用户的最低QoS需求值和信道增益值，计算用户按照正交多址接入方式保障各自最低数据传输速率的功率值，然后按照该功率值的升序对所有用户进行排列，并将排序靠前的一半用户作为高信道增益用户集合，而剩余用户作为低信道增益用户集合；该排序的目的是将低序号的用户设为每个NOMA簇的高信道增益用户以减少对低信道增益用户的NOMA簇内干扰，以降低为满足用户最低QoS需求而消耗的功率值。
S2、根据待调度用户的信道增益值更新高信道增益用户集合和低信道增益用户集合，使高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合满足NOMA成簇原则。高信道增益用户集合中的每个用户都可以作为一个NOMA簇中的拥有较高信道增益的用户，而低信道增益用户集合中的每个用户都可以作为一个NOMA簇中的拥有较低信道增益的用户。
S3、进行多轮NOMA分簇方法使所述步骤2更新后的所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合中的用户按照NOMA匹配原则进行多用户的分簇调度。
具体的请结合图1所示，
当用户最低QoS需求或者用户的信道增益改变时进入以下步骤处理：
假设面向非正交多址接入网络中共有2M个用户，将其按照信道增益降序排列为h1>h2>…>h2M，记该用户集合为
Figure BDA0002598395330000031
若面向非正交多址接入网络中的用户信道增益或者用户QoS发生变化则进行本发明所提的多用户分簇调度方法，其中若面向非正交多址接入网络中的用户信道增益发生变化，基站应按照信道增益的降序更新用户的排队序列。
记
Figure BDA0002598395330000032
表示在用户i的最小QoS需求，计算每个用户按照正交多址接入方式保障各自最低数据传输速率的功率值为
Figure BDA0002598395330000033
将2M个用户按照
Figure BDA0002598395330000034
升序的顺序进行重新排序，即/>
Figure BDA0002598395330000035
记该用户集合为/>
Figure BDA0002598395330000036
为每个NOMA簇分配拥有较低
Figure BDA0002598395330000037
的高信道增益用户可以减少对低信道增益用户的NOMA簇内干扰，从而有效降低为满足用户最低QoS需求而消耗的功率值。因此，为了达到本发明提高基站可售卖的功率资源以获得较大的售卖收益的目标，令高信道增益用户集合为
Figure BDA0002598395330000038
低信道增益用户集合为
Figure BDA0002598395330000039
由于按照上述方法获得的高信道增益用户和低信道增益用户集合由于可变且不同的传输速率需求，可能导致无法满足NOMA簇的组成原则，即部分高信道增益用户由于信道增益较低不能作为NOMA簇的高信道增益用户进行成簇匹配或者低信道增益用户由于信道增益较高不能作为NOMA簇的低信道增益用户进行成簇匹配。因此需要对高信道增益用户集合和低信道增益用户集合进行迭代更新，详细说明如下：
(1)由于
Figure BDA0002598395330000041
中第一个用户和第2M个用户分别拥有最高和最低的信道增益值。因此，需要根据/>
Figure BDA0002598395330000042
和/>
Figure BDA0002598395330000043
的实际情况进行更新：
若
Figure BDA0002598395330000044
中的2Mth用户属于/>
Figure BDA0002598395330000045
同时1st用户属于/>
Figure BDA0002598395330000046
Figure BDA0002598395330000047
和/>
Figure BDA0002598395330000048
更新为
Figure BDA0002598395330000049
Figure BDA00025983953300000410
若
Figure BDA00025983953300000411
中的1st和2Mth用户都属于/>
Figure BDA00025983953300000412
Figure BDA00025983953300000413
和/>
Figure BDA00025983953300000414
更新为
Figure BDA00025983953300000415
Figure BDA00025983953300000416
若
Figure BDA00025983953300000417
中的1st和2Mth用户都属于/>
Figure BDA00025983953300000418
Figure BDA00025983953300000419
和/>
Figure BDA00025983953300000420
更新为
Figure BDA00025983953300000421
Figure BDA00025983953300000422
(2)虽然经过(1)更新后可以将
Figure BDA00025983953300000444
中拥有最高和最低信道增益的用户强制转变为高信道增益用户和低信道增益用户，但是其余用户的不确定性导致更新后的/>
Figure BDA00025983953300000423
和/>
Figure BDA00025983953300000424
仍可能不满足NOMA成簇原则。
下面采用逐次更新法对
Figure BDA00025983953300000425
和/>
Figure BDA00025983953300000426
进行更新，以(1)后/>
Figure BDA00025983953300000427
和/>
Figure BDA00025983953300000428
的最差情况，即
Figure BDA00025983953300000429
和/>
Figure BDA00025983953300000430
为例进行说明，需要注意的是该方法适用任何/>
Figure BDA00025983953300000431
和/>
Figure BDA00025983953300000432
组合。通过交换/>
Figure BDA00025983953300000433
中信道增益最差的用户和/>
Figure BDA00025983953300000434
中信道增益最优的用户，可以提高对多NOMA簇匹配成功的概率。因此，可以迭代更新/>
Figure BDA00025983953300000435
和/>
Figure BDA00025983953300000436
如下：
Figure BDA00025983953300000437
Figure BDA00025983953300000438
其中，
Figure BDA00025983953300000439
和/>
Figure BDA00025983953300000440
分别表示在第n次迭代中低信道增益用户集和高信道增益用户集。
迭代更新的停止条件为
Figure BDA00025983953300000441
和/>
Figure BDA00025983953300000442
所组成的指示向量(其中i＝1表示/>
Figure BDA00025983953300000443
中第i个用户为高信道增益用户，反之为低信道增益用户)与多用户的NOMA匹配可用指示矩阵B的任意列相匹配。其中，对于给定数量的用户，对应的矩阵B是固定的。因此，对于不同数量用户的多个相应矩阵B可以容易获得。
例如：针对4个用户的网络，其矩阵B4可以表示为
Figure BDA0002598395330000051
针对6个用户的网络，其矩阵B6可以表示为
Figure BDA0002598395330000052
针对8个用户的矩阵，其矩阵B8可以表示为
Figure BDA0002598395330000053
根据上述可行的
Figure BDA0002598395330000054
和/>
Figure BDA0002598395330000055
需要一种多轮NOMA分簇方法对多用户的NOMA簇进行配对，详细方案如下：
由于在每个NOMA簇中，低信道增益用户所需要保证其QoS的最小功率应分配更多的功率以克服由高信道增益的用户所带来的NOMA簇内干扰。因此，本实施例采用将
Figure BDA0002598395330000056
中拥有较高传输速率要求的用户与/>
Figure BDA0002598395330000057
中拥有较低保证QoS的最低功率值的用户进行NOMA簇配对，以减少每个NOMA簇中低信道增益用户所需的最小功率，从而达到了提高了基站可用于售卖的QoS溢出总功率资源的目的。同时，由于NOMA成簇的基本原则，因此，在/>
Figure BDA0002598395330000058
中，信道增益较低的用户应该比信道增益较高的用户有更高的NOMA配对优先级。
首先将高信道增益用户集
Figure BDA0002598395330000059
按照用户所需求保证QoS的最低功率的大小分为A类用户/>
Figure BDA00025983953300000510
和B类用户/>
Figure BDA00025983953300000511
具体是按照用户所需求保证QoS的最低功率从小到大进行排列，并计算相邻用户的最低功率值之比(前一用户与后一用户的最低功率之比)，以功率值之比最小处为A类用户/>
Figure BDA00025983953300000512
与B类用户/>
Figure BDA00025983953300000513
的分界线，使/>
Figure BDA00025983953300000514
中的用户需求的保证QoS的最低功率值要远小于/>
Figure BDA00025983953300000515
中的用户。然后，/>
Figure BDA00025983953300000516
中的用户可以按照信道增益升序的顺序进行重新排序，即
Figure BDA00025983953300000517
Hm表示/>
Figure BDA00025983953300000518
中第m个用户。
多轮NOMA分簇方法中，在第r轮中，若用户
Figure BDA00025983953300000519
则第r个NOMA簇由Hr和
Figure BDA0002598395330000061
组成，其中，/>
Figure BDA0002598395330000062
表示在/>
Figure BDA0002598395330000063
中可以与高信道增益用户Hr进行NOMA配对的用户集合。因此，/>
Figure BDA0002598395330000064
表示该集合中拥有最高/>
Figure BDA0002598395330000065
的用户；若用户/>
Figure BDA0002598395330000066
则第r个NOMA簇由Hr和/>
Figure BDA0002598395330000067
组成，/>
Figure BDA0002598395330000068
表示该集合中拥有最低/>
Figure BDA0002598395330000069
的用户。在每一轮中，配对的用户需要从/>
Figure BDA00025983953300000610
中删除。该多轮NOMA分簇方法中，算法截止在第M轮，即/>
Figure BDA00025983953300000611
中最后一个用户HM也已经配对完成。
以下为面向非正交多址接入的多用户分簇调度伪代码：
Figure BDA00025983953300000612
Figure BDA0002598395330000071
上述方法是一种旨在提高基站可售卖的功率资源以获得较大的售卖收益为目标，根据用户的信道增益和最低数据传输速率对面向非正交多址接入网络针对多用户的多个NOMA簇进行分簇调度的方法。网络采用非正交多址接入方式对多用户进行多址接入，为了降低接收端采用串行干扰消除技术的复杂性，在本发明中每两个用户通过功率域上的非正交多址接入方式在同一个子载波上进行数据传输。

Claims (5)

1.一种面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，其特征在于，包括步骤：S1、根据所有待调度用户的最低QoS需求值和信道增益值，计算用户按照正交多址接入方式保障各自最低数据传输速率的功率值，然后按照该功率值的升序对所有用户进行排列，并将排序靠前的一半用户作为高信道增益用户集合，而剩余用户作为低信道增益用户集合；S2、根据所述待调度用户的信道增益值更新所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合，使所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合满足NOMA成簇原则；S3、进行多轮NOMA分簇方法使所述步骤2更新后的所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合中的用户按照NOMA匹配原则进行多用户的分簇调度。
2.根据权利要求1所述的面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，其特征在于，所述步骤S2根据所述待调度用户的信道增益值更新所述高信道增益用户集合和所述低信道增益用户集合时首先将信道增益值最高的用户归入所述高信道增益用户集合，将信道增益值最低的用户归入所述低信道增益用户集合。
3.根据权利要求2所述的面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，其特征在于，完成信道增益值最高以及信道增益值最低的用户更新后，进行n轮迭代更新，每轮所述迭代更新是将所述高信道增益用户集合中的信道增益值最低的用户与所述低信道增益用户集合中的信道增益值最高的用户交换。
4.根据权利要求3所述的面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，其特征在于，所述迭代更新的停止条件是更新后的所述高信道增益用户集合及所述低信道增益用户集合所组成的指示向量与多用户的NOMA匹配可用指示矩阵的任意列相匹配。
5.根据权利要求1所述的面向非正交多址接入的多用户分簇调度方法，其特征在于，所述多轮NOMA分簇方法包括以下步骤：S301、将所述高信道增益用户集合中用户按照用户所需求保证QoS的最低功率从小到大进行排列，并通过计算相邻用户的最低功率值之比将用户划分为A类用户和B类用户，其中A类用户与B类用户的分界线为功率值之比最小处，即A类用户的需求保证QoS的最低功率远小于B类用户的需求保证QoS的最低功率；S302、将所述高信道增益用户集合中用户按信道增益值升序排序，并从具有最小信道增益值的用户开始以信道增益值从小到大的顺序对用户逐个按步骤303进行NOMA分簇，直至所述高信道增益用户集合中所有用户；步骤303、判断当前用户为A类用户还是B类用户，如果当前用户属于A类用户，则本次分簇得到的NOMA簇由当前用户及所述步骤S2更新后的低信道增益用户集合中可以与当前用户进行NOMA配对的用户集合中拥有最高的最小QoS需求的用户组成，并将已配对构成NOMA簇的低信道增益用户从可以与后续高信道增益用户进行NOMA配对的用户集合中剔除；如果当前用户属于B类用户，则本次分簇得到的NOMA簇由当前用户及所述步骤S2更新后的低信道增益用户集合中可以与当前用户进行NOMA配对的用户集合中拥有最低的最小QoS需求的用户组成，并将已配对构成NOMA簇的低信道增益用户从可以与后续高信道增益用户进行NOMA配对的用户集合中剔除。
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