CN112188523B - 基于能量捕获的用户导向型协作noma传输协议 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，针对双用户NOMA网络中弱用户可能存在的可靠性不能得到保障的问题，综合利用协作传输和能量捕获技术，通过弱用户的传输需求使系统能够自适应地调整强用户的工作状态，大大提高了弱用户传输的可靠性。如果直传链路可以满足弱用户的传输需求，网络则采用传统的NOMA协议；如果直传链路无法满足弱用户的传输需求，在采用基于能量捕获的协作NOMA的传输协议。通过合理选择传输功率，本发明实现了双用户NOMA网络的自适应协作传输。

Description

基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，增强了弱用户的信道容量，使系统可以自适应的控制强用户的工作状态来提高系统容量。

背景技术

在未来的5G时代，智能终端(如移动电话和可穿戴设备)和在线服务(如多媒体视频和在线课程)可能会大幅增长。这意味着5G时代会在有限的频谱资源上施加了大量的连通性需求。因此，提高频谱利用率已成为学术界和工业界的研究热点。在现有的研究中，一个潜在的解决方案是非正交多址(NOMA)，它可以通过功率分配、叠加编码和连续干扰消除(SIC)等技术在同一频谱资源块上支持多个用户。

在NOMA网络中，为了用户的公平性，根据用户的信道条件，系统会给不同的用户分配不同的功率。但网络中仍有一些用户无法完成信息的传输。为了解决这个问题，研究者提出了一种新的NOMA协议，协作NOMA。具体来说，强通道用户充当中继，协助弱通道用户传递消息。在相关文献中，研究者提出了一种基于能量捕获的协作NOMA协议，在这种网络中，强用户可以从接收到的信号中获取能量来中继弱用户的信号。然而，上述文献只考虑了弱用户无法完成信息传输的情况，有时由于自身干扰和能量分裂故而损害了强用户的利益，因此需要一个可以使系统自适应地调整系统工作状态的协议来保证弱用户的传输可靠性。

发明内容

针对双用户NOMA网络中强用户利益受损的问题，本发明提供了一种基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议。该方法充充分利用能量捕获和协作传输技术，增强了弱用户的系统容量，提高了系统的能量效率，从而解决了双用户NOMA网络中弱用户的服务质量问题。

本发明采用如下技术方案来实现的：

基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，该传输协议基于的网络包括一对NOMA用户和一个基站S，根据用户与基站之间的距离，距离较近和较远的用户分别被称为强用户U1和弱用户U2；该传输协议包括两个判断依据：如果直传链路能够满足弱用户的传输需求，网络则采用传统的NOMA协议；如果直传链路无法满足弱用户的传输需求，在采用基于能量捕获的协作NOMA的传输协议。

本发明进一步的改进在于，该传输协议的具体实现如下：

基站和弱用户都装有一根天线并工作在半双工模式，同时强用户装有两根天线，其中一根用于自己的信号接受，另一根处于打开或者关闭的状态并用了转发弱用户的信号；如果弱用户在直传链路中能够以实现信息传输，第二根天线关闭，不会转发信号；如果弱用户在直传链路中不能实现信息传输，第二根天线打开，并以全双工模式转发弱用户的信号，增强弱用户的信道质量；当强用户转发弱用户信道的时候，可能存在能量不足的情况，这时，强用户能够从接收到的信号中根据能量捕获协议捕获能量。

本发明进一步的改进在于，传统的NOMA协议如下：

基站根据叠加编码技术给强用户和弱用户发送目标信号，叠加信号为

其中，x₁和x₂分别是强用户U1和弱用户U2的目标信号；0≤α≤1是基站的功率分配因子；P_S表示基站的传输功率；因此，U1和U2接收到的信号y₁和y₂分别为：

其中，

和

为U1和U2产生的高斯白噪声，他们的均值为0，方差分别为

和

为了方便起见，假设

h₁和h₂分别为基站到U1和U2的信道，服从均值为0，方差分别为λ₁和λ₂的高斯分布；在接收端采用串行干扰消除；由于U1的信号优于U2的信道，因此0≤α＜0.5；根据串行干扰消除，U1和U2解码目标信号的信噪比分别为：

U1和U2的信号容量分别为C₁＝log(1+γ₁)和C₂＝log(1+γ₂)。

本发明进一步的改进在于，基于能量捕获的协作NOMA协议如下：

U1打开第二根天线并工作在全双工模式，此时，U1在接收目标信号的同时转发U2的信号，基站发送的叠加信号x(t)表示为：

因此，U1接收到的信号y′₁(t)为：

其中，上式右边的第二项表示干扰消除之后的自干扰项；k∈[0，1]是自干扰消除系数，k＝0表示理想的自干扰消除，k＝1表示自干扰消除是无效的；

且

是信号处理时延；h₄为U的自干扰信道，它服从均值为0，方差为λ₄的高斯分布；P_R表示U1转发U2信号的能量；根据能量捕获协议，用于自身信号传输的部分信号表示为：

其中，0≤ρ≤1表示U1的能量分裂比；此时，U1解码目标信号的信噪比为：

用于能量捕获的部分信号y_EH(t)表示为

因此，用于转发信号的能量为：

其中，0≤η≤1是能量转换效率；

U2将会接收到来自基站和U1的信号，表示为：

U2使用最大比合并来解码信号，解码信噪比表示为：

其中，第一项为来自基站的信号，第二项为来自U1的信号；h₃为U1到U2的信道，它服从均值为0，方差λ₃的高斯分布；此时，U1和U2的信号容量分别为C′₁＝log(1+γ′₁)和

本发明进一步的改进在于，用户导向型协作NOMA协议如下：

如果U1需要协助U2传输信息，其必须满足自身的传输需求，即C′₁＝log(1+γ′₁)≥R₁，其中R₁为U1的目标传输速率；因此，能量分裂因子满足：

U1协助U2传输信息时，U2满足其传输需求，即C′₂＝log(1+γ′₁)≥R₂，其中R₂为U2的目标传输速率；此时，能量分裂因子满足：

其中，a＝η|h₁|²P_S，b＝ηk|h₄|²，

基于上述两个约束，用户导向型协作NOMA协议被制定为：

其中，mode＝0表示如果直传链路满足U2的传输需求，即C₂≥R₂时，系统工作在传统的NOMA模式下；mode＝1表示如果直传链路无法满足U2的传输需求，即C₂＜R₂时，系统工作在基于能量捕获的协作NOMA模式下。

本发明进一步的改进在于，为了衡量系统的性能，制定的U1和U2的中断概率P₁和P₂分别为：

其中，d＝ραP_S，

μ(γ，x)＝F₁(γ-x)f₂(x)，

N_a是求和次数，f₂(x)是F₂(x)关于x的导数，x_i是L_n(x)的第i个根。

本发明至少具有如下有益的技术效果：

针对双用户NOMA网络中弱用户可能存在的可靠性不能得到保障的问题，本发明综合利用协作传输和能量捕获技术，通过弱用户的传输需求使系统能够自适应地调整强用户的工作状态，大大提高了弱用户传输的可靠性。在传统的NOMA网络中，弱用户的性能完全由直传链路决定；在协作NOMA网络中，强用户由于需要协助弱用户完成信息传输，因此在弱用户可以通过直传链路完成信息传输时，会损害强用户的利益。因此，本发明提出的用户导向型协作NOMA方案能够使系统在保证强用户的传输需求时，根据弱用户的需求自适应地控制系统的状态，以达到提升系统性能的目的。

进一步，针对网络能量消耗的问题，本发明使强用户可以从接收到的信号中捕获能量，以用于弱用户信息的传输，同时在不需要协助传输时不需要捕获能量。本发明通过能量捕获技术减少了强用户转发信息所需的能量，解决了强用户可能能量不足的问题。

附图说明

图1是所提的系统模型图。

图2和用户1的结构图。

图3是用于能量捕获的能量分裂比与用户2的目标速率的曲线图。

图4是中断概率与发送端信噪比的曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。

图1给出的系统模型图，考虑一对NOMA用户的下行协作传输。此网络由基站和NOMA用户对组成，其中NOMA用户对包括强用户U1和弱用户U2。基站和U1装有一根天线且工作在半双工模式，而强用户U1装有两根天线，其工作模式在半双工和全双工之间切换。其中，如果弱用户U2的直传链路无法满足其传输需求，那么强用户U1将从接收到的信号中捕获能量并转发弱用户的信息，以协助U2完成信息传输；如果弱用户U2的直传链路满足其传输需求，那么网络工作在传统的NOMA模式下。

图2给出了强用户U1的结构图。其由能量分裂器、能量接收机、信息接收机、接收机以及发送机组成。U1的工作流程如下：如果U2的直传链路可以满足其传输需求，那么U1关闭它的发送天线，并将所有的信号能量分配到信息接收机用于自己的信息解码。如果U2的直传链路无法满足其传输需求，那么U1的接收天线与发送天线都处在激活模式。首先，基于能量分裂方法，U1将接收到的信号分为两部分进行处理，一部分用于能量捕获同时另一部分用于信息解码。信息接收机将利用接收的信号恢复U1和U2的目标信号，并将自己的信号传到接收机。而发送机则利用能量接收机捕获的能量将弱用户U2的信号进行转发，协助U2实现信息传输。

基于图1和图2的模型，本发明提出的基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，其网络包括一对NOMA用户和一个基站S，根据用户与基站之间的距离，距离较近和较远的用户分别被称为强用户U1和弱用户U2。该传输协议包括两个判断依据：如果直传链路可以满足弱用户的传输需求，网络则采用传统的NOMA协议；如果直传链路无法满足弱用户的传输需求，则采用基于能量捕获的协作NOMA的传输协议。具体实现如下：

基站和弱用户都装有一根天线并工作在半双工模式，同时强用户装有两根天线，其中一根用于自己的信号接受，另一根处于打开或者关闭的状态并用了转发弱用户的信号。具体地，如果弱用户在直传链路中可以实现信息传输，第二根天线关闭，不会转发信号；如果弱用户在直传链路中不能实现信息传输，第二根天线打开，并以全双工模式转发弱用户的信号，增强弱用户的信道质量。当强用户转发弱用户信道的时候，可能存在能量不足的情况。这时，强用户可以从接收到的信号中根据能量捕获协议捕获能量。

传统的NOMA协议如下：

基站根据叠加编码技术给强用户和弱用户发送目标信号，叠加信号为：

其中，x₁和x₂分别是强用户U1和弱用户U2的目标信号。0≤α≤1是基站的功率分配因子。P_S表示基站的传输功率。因此，U1和U2接收到的信号y₁和y₂分别为：

其中，

和

为U1和U2产生的高斯白噪声，他们的均值为0，方差分别为

和

为了方便起见，假设

h₁和h₂分别为基站到U1和U2的信道，他们服从均值为0，方差分别为λ₁和λ₂的高斯分布。在接收端采用串行干扰消除。由于U1的信号优于U2的信道，因此0≤α＜0.5。因此，根据串行干扰消除，U1和U2解码目标信号的信噪比分别为：

U1和U2的信号容量分别为C₁＝log(1+γ₁)和C₂＝log(1+γ₂)。

基于能量捕获的协作NOMA协议如下：

U1打开第二根天线并工作在全双工模式。此时，U1在接收目标信号的同时转发U2的信号。基站发送的叠加信号x(t)表示为：

因此，U1接收到的信号y′₁(t)为

其中，上式右边的第二项表示干扰消除之后的自干扰项。k∈[0，1]是自干扰消除系数，k＝0表示理想的自干扰消除，k＝1表示自干扰消除是无效的。

且

是信号处理时延。h₄为U的自干扰信道，它服从均值为0，方差为λ₄的高斯分布。P_R表示U1转发U2信号的能量。U1可能存在能量不足的情况，因此U1从接受的信号中捕获能量来转发U2的信号。根据能量捕获协议，用于自身信号传输的部分信号可以表示为：

其中，0≤ρ≤1表示U1的能量分裂比(ESR)。此时，U1解码目标信号的信噪比为：

用于能量捕获的部分信号y_EH(t)表示为

因此，用于转发信号的能量为：

其中，0≤η≤1是能量转换效率。

U2将会接收到来自基站和U1的信号，可以表示为：

U2使用最大比合并(MRC)来解码信号，解码信噪比可以表示为：

其中，第一项为来自基站的信号，第二项为来自U1的信号。h₃为U1到U2的信道，它服从均值为0，方差λ₃的高斯分布。此时，U1和U2的信号容量分别为C′₁＝log(1+γ′₁)和

用户导向型协作NOMA协议如下：

如果U1需要协助U2传输信息，其必须满足自身的传输需求，即C′₁＝log(1+γ′₁)≥R₁，其中R₁为U1的目标传输速率。因此，能量分裂因子满足：

U1协助U2传输信息时，U2满足其传输需求，即C′₂＝log(1+γ′₁)≥R₂，其中R₂为U2的目标传输速率。此时，能量分裂因子满足：

其中，a＝η|h₁|²Ps，b＝ηk|h₄|²，

基于上述两个约束，用户导向型协作NOMA协议可以被制定为：

其中，mode＝0表示如果直传链路可以满足U2的传输需求，即C₂≥R₂时，系统工作在传统的NOMA模式下；mode＝1表示如果直传链路无法满足U2的传输需求，即C₂＜R₂时，系统工作在基于能量捕获的协作NOMA模式下。

为了衡量系统的性能，制定的U1和U2的中断概率P₁和P₂分别为：

其中，d＝ραP_S，

μ(γ，x)＝F₁(γ-x)f₂(x)，

N_a是求和次数，f₂(x)是F₂(x)关于x的导数，x_i是L_n(x)的第i个根。

本发明的仿真验证分别表示为图3和图4。相比传统NOMA方案，强用户协助弱用户完成信息传输的方案已经在上述部分介绍了。接下来，利用仿真结果验证本发明在系统性能上的提升。

图3给出了用于能量捕获的能量分裂比与用户2的目标速率的曲线图。可以看出，在U2的目标速率比较小时，用于能量捕获的功率分裂比为0。此时，系统工作在传统的NOMA模式下，这说明此时的直传链路容量可以满足U2的传输需求。当U2的目标速率达到一定值后，用于能量捕获的能量分裂比开始慢慢增长。此时，直传链路的容量无法满足U2的传输需求，因此需要U1进行能量捕获来转发U2的信息，在保证U1自身传输的同时提升U2传输的可靠性。

图4给出了所提的用户导向的协作NOMA方案和传统NOMA方案的中断概率与发送端信噪比的关系图。可以发现，随着信噪比的增加，传输中断概率将会变小，这说明增加传输信噪比可以提升系统的可靠性。另外，还可以发现，与传统的NOMA方案相比，弱用户U2的中断概率急剧下降，同时U1的中断概率几乎没有变化。这说明，所提的方案在保证了U1的传输的情况下，提升了U2传输的可靠性。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。

Claims (2)

1.基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，其特征在于，该传输协议基于的网络包括一对NOMA用户和一个基站S，根据用户与基站之间的距离，距离较近和较远的用户分别被称为强用户U1和弱用户U2；该传输协议包括两个判断依据：如果直传链路能够满足弱用户的传输需求，网络则采用传统的NOMA协议；如果直传链路无法满足弱用户的传输需求，再采用基于能量捕获的协作NOMA的传输协议；该传输协议的具体实现如下：

基站和弱用户都装有一根天线并工作在半双工模式，同时强用户装有两根天线，其中一根用于自己的信号接收，另一根处于打开或者关闭的状态并用来转发弱用户的信号；如果弱用户在直传链路中能够实现信息传输，第二根天线关闭，不会转发信号；如果弱用户在直传链路中不能实现信息传输，第二根天线打开，并以全双工模式转发弱用户的信号，增强弱用户的信道质量；当强用户转发弱用户信号的时候，可能存在能量不足的情况，这时，强用户能够从接收到的信号中根据能量捕获协议捕获能量；

传统的NOMA协议如下：

基站根据叠加编码技术给强用户和弱用户发送目标信号，叠加信号为

其中，x₁和x₂分别是强用户U1和弱用户U2的目标信号；0≤α≤1是基站的功率分配因子；P_S表示基站的传输功率；因此，U1和U2接收到的信号y₁和y₂分别为：

其中，

和

为U1和U2产生的高斯白噪声，他们的均值为0，方差分别为

和

为了方便起见，假设

h₁和h₂分别为基站到U1和U2的信道增益，服从均值为0，方差分别为λ₁和λ₂的高斯分布；在接收端采用串行干扰消除；由于U1的信道增益优于U2的信道增益，因此0≤α＜0.5；根据串行干扰消除，U1和U2解码目标信号的信噪比分别为：

U1和U2的信道容量分别为C₁＝log(1+γ₁)和C₂＝log(1+γ₂)；

基于能量捕获的协作NOMA协议如下：

U1打开第二根天线并工作在全双工模式，此时，U1在接收目标信号的同时转发U2的信号，基站发送的叠加信号x(t)表示为：

因此，U1接收到的信号y′₁(t)为：

其中，上式右边的第二项表示干扰消除之后的自干扰项；k∈[0，1]是自干扰消除系数，k＝0表示理想的自干扰消除，k＝1表示自干扰消除是无效的；x_r(t)＝x₂(t-τ)且τ是信号处理时延；h₄为U1的自干扰信道，它服从均值为0，方差为λ₄的高斯分布；P_R表示U1转发U2信号的能量；根据能量捕获协议，用于自身信号传输的部分信号表示为：

其中，0≤ρ≤1表示U1的能量分裂比；此时，U1解码目标信号的信噪比为：

用于能量捕获的部分信号y_EH(t)表示为

因此，用于转发信号的能量为：

其中，0≤η≤1是能量转换效率；

U2将会接收到来自基站和U1的信号，表示为：

U2使用最大比合并来解码信号，解码信噪比表示为：

其中，第一项为来自基站的信号，第二项为来自U1的信号；h₃为U1到U2的信道，它服从均值为0，方差λ₃的高斯分布；此时，U1和U2的信道容量分别为C′₁＝log(1+γ′₁)和

用户导向型协作NOMA协议如下：

如果U1需要协助U2传输信息，其必须满足自身的传输需求，即C′₁＝log(1+γ′₁)≥R₁，其中R₁为U1的目标传输速率；因此，能量分裂因子满足：

U1协助U2传输信息时，U2满足其传输需求，即

其中R₂为U2的目标传输速率；此时，能量分裂因子满足：

其中，a＝η|h₁|²P_S，b＝ηk|h₄|²，

基于上述两个约束，用户导向型协作NOMA协议被制定为：

其中，mode＝0表示如果直传链路满足U2的传输需求，即C₂≥R₂时，系统工作在传统的NOMA模式下；mode＝1表示如果直传链路无法满足U2的传输需求，即C₂＜R₂时，系统工作在基于能量捕获的协作NOMA模式下。

2.根据权利要求1所述的基于能量捕获的用户导向型协作NOMA传输协议，其特征在于，为了衡量系统的性能，制定的U1和U2的中断概率P₁和P₂分别为：

其中，d＝ραP_S，

μ(γ，x)＝F₁(γ-x)f₂(x)，

N_a是求和次数，f₂(x)是F₂(x)关于x的导数，x_i是L_n(x)的第i个根。

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