CN112887042B - 一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法，属于无线通信技术领域。该方法包括：S1：构建基于非正交多址和携能网络的系统模型；S2：在第一个时隙传输阶段，中心用户和边缘用户均直接接收从基站侧发出的信息，中心用户能检测到基站发送给边缘用户的信息；S3：在第二个时隙传输阶段，中心用户具有携能技术，分割部分功率进行收集能量，为边缘用户解码转发信息服务；S4：构建基于基站与用户的信道状态的最佳用户配对方案；S5：确定功率分配、分割因子和能量效率。本发明能够有效地降低用户的中断概率，并具有较低的计算复杂度。

Description

一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法。

背景技术

随着无线通信的发展，移动设备大量增加、新型多媒体业务的不断拓展以及日益增长的多样化无线业务需求，对未来移动网络提出更高的要求。设计出更高效的传输技术，更充分的利用频谱资源，而电源、无线电频谱等资源短缺问题也日益严重。因此，研究移动通信技术和能源利用技术方面已有的成果，并对其进行分析与整合，推陈出新，来解决频谱资源和能源短缺的问题迫在眉睫。近些年，从周围自然环境中收集能量来延长通信网络中节点寿命的方式已被广泛应用。

现有技术中，研究用户配对方案时大多仅考虑基站与用户的信道特性，在NOMA的携能通信下行链路中，无法综合考虑基站与用户、用户与用户的信道状态特性。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法，基于基站与用户、用户与用户的信道状态进行用户配对，充分利用非正交多址接入(NOMA)技术结合无线信息与能量同时传输(SWIPT)携能通信的特点，在提高频谱利用率的同时，降低非正交多址接入网络中用户的中断概率，并具有较低的计算复杂度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法，基于非正交多址的携能通信网络中，子信道间采用正交多址技术，基于基站与用户的信道状态信息将用户进行配对；然后将子信道内的用户采用非正交多址技术提供数据服务，中心用户终端含有信息解码和能量收集电路，通过功率分割的方法来切换信息和能量的收集信号，为边缘用户解码转发(DF)信息；通过中心用户携能中继的协作传输，降低用户的中断概率，并提高系统能效。该方法具体包括以下步骤：

S1：构建基于非正交多址和携能网络的系统模型；

S2：在第一个时隙传输阶段，中心用户和边缘用户均直接接收从基站侧发出的信息，中心用户能检测到基站发送给边缘用户的信息；

S3：在第二个时隙传输阶段，中心用户具有携能技术，分割部分功率进行收集能量，为边缘用户解码转发信息服务；

S4：构建基于基站与用户的信道状态的最佳用户配对方案；

S5：确定功率分配、分割因子和能量效率等参数。

进一步，步骤S1中，构建的系统模型为：由一个基站，及附着在基站侧的若干用户，基于用户与基站的欧氏距离分为两组，其中近端为中心用户N＝{N_i，i＝1,2,…,K}，远端为边缘用户F＝{F_j，j＝1,2,…,K}，γ_i,j表示第i个中心用户和第j个边缘用户在同一子载波上配对，共同组成的下行网络链路；其中基站和所有用户均服从泊松点分布；

基站发送信号x为：

其中，p_s是基站的发射功率，α_i和α_j分别是NOMA用户的功率分配因子，

每个子载波带的带宽W_p为：

共有P个子载波。

进一步，步骤S2中，第一个时隙传输阶段具体包括：

中心用户接收基站的信号：

其中，h_i表示中心用户侧的信道状态系数，z_i表示中心用户侧接收信号的高斯白噪声，

x_j分别表示基站发送给中心用户、边缘用户的信号；

边缘用户接收基站的信号：

其中，h_j表示边缘用户侧的信道状态系数，z_j表示边缘用户侧接收信号的高斯白噪声；

中心用户的信噪比为：

令

则

边缘用户的信噪比为：

则

中心用户收集的能量为：E＝Tβ_ip_sη|h_j|²，其中，T表示信息传输总时间，η为能量转换效率，β_i为功率分割系数，用于能量收集的功率，1-β_i则用于信息解码，且此处收集到的能量只用于信息解码；

在中心用户处用于协作边缘用户传输信息的传输功率为：

进一步，步骤S3中，第二个时隙传输阶段具体包括：

边缘用户从中心用户接收的信号为：

其中，h_r表示中心用户与边缘用户间信道状态系数；

在协作传输时，中心用户检测到信号

的信噪比为：

边缘用户从中心用户处接收信号

的信噪比为：

接收信号

的传输速率为：

进一步，步骤S3中，使用SWIPT-NOMA协议，中心用户的中断在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户检测不到信号

第二种是中心用户能检测到信号

但检测不到信号

基于此，中心用户的中断概率为：

其中，γ₁和γ₂分别为中心用户和边缘用户目标速率R₁和R₂对应的信噪比，

进一步，步骤S3中，使用的SWIPT-NOMA协议，边缘用户的停机在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户可以检测到信号

但是在边缘用户处接收到的总信噪比无法达到目标速率；第二种是中心用户和边缘用户都无法检测到信号

边缘用户的信噪比为：

即边缘用户的信噪比为直接传输阶段与中继用户协作传输阶段的信噪比之和；

边缘用户的中断概率为：

进一步，步骤S4中，构建基于基站与用户的信道状态的最佳用户配对方案，具体包括：将基站坐标设为(0，0)，基于用户与基站的距离分为中心用户和边缘用户，即内环区域的中心用户与基站距离d＜d_α，外环区域的边缘用户与基站距离d_β＜d＜d_χ，其中d_α＜d_β＜d_χ，d_α、d_β、d_χ分别为内环的内、外径和外环的外径，并将整个区域划分为四个区域，第一、二、三、四象限分别为d₁,d₂，d₃，d₄，在每一个象限内对将中心用户与边缘用户进行配对，并依次将与基站最近的中心用户和最近的边缘用户进行配对，直到最远的中心用户与最远的边缘用户进行配对，N_s＝argmax_i＝1,…,K|h_i|²，F_s＝argmax_{j＝1，…，K}|h_j|²，即N_s与F_s进行配对，直接根据信道距离造成信道的衰弱进行用户配对。

进一步，步骤S5具体包括：在对NOMA用户进行功率分配时，采用动态功率分配进行用户间的功率配对，对于能量中继用户处的功率分割采用静态功率分配，SWIPT中继的能量收集全部用来解码转发和信息，能量效率为定值。

本发明的有益效果在于：与常规只考虑用户和基站之间的信道状态进行配对或者基于匹配理论进行用户配对方案相比，本发明所提出的基于基站与用户、用户与用户的信道状态的限定域的最佳近-最佳远用户配对方案，更加简单高效的解决了用户配对问题；与常规的基于用户与基站间的信道状态进行用户配对方案相比，本发明的配对算法能够降低用户的中断概率，且能降低计算复杂度，充分发挥携能中继用户的优势，且能够获得更优的能效。

本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：

图1为本发明构建的非正交多址和携能网络的系统结构示意图；

图2为本发明基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。

其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

请参阅图1～图2，本发明设计了一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方案，如图1所示，针对现有的采用频率域的非正交多址接入技术，在包括基站和用户的下行传输链路中，携带能量收集技术的用户为边缘用户充当中继，整体降低用户中断，提升系统的通信效率。

如图2所示，基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方案，具体步骤如下：

S1：构建基于非正交多址和携能网络的系统模型；

系统总带宽为B，将其划分为N个子信道，且N∈{1,2,3,...n}。每一个用户只允许接入一个基站，且只允许接入一个子信道，子信道间采用正交多址技术，子信道间用户采用非正交多住技术进行传输。基于NOMA技术，对中心用户进行功率分配，近端用户信道条件较好，分配较小功率，而边缘用户信道条件较差，分配较大功率。中心用户同时充当能量边缘用户的能量中继，采用功率分割方案分配相应的功率用于收集能量和解码转发信息，为边缘用户解码转发信息。系统的通信过程分为两个过程，第一阶段为直接传输过程，基站直接给中心用户和边缘用户发送信息；第二个阶段为中心用户作为能量中继，通过收集到的能量为边缘用户解码转发信息。

本实施例考虑的通信系统由一个基站，及附着在基站侧的若干用户，基于用户与基站的欧氏距离分为两组，其中近端为中心用户N＝{N_i,i＝1,2,...,K}，远端为边缘用户F＝{F_j,j＝1,2,…,K}，γ_i,j表示第i个中心用户和第j个边缘用户在同一子载波上配对，共同组成的下行网络链路；其中基站和所有用户均服从泊松点分布。

基站发送信号x为：

其中，

p_n是基站给每个用户分配的功率，p_s是基站的发射功率，α_i和α_j分别是NOMA用户的功率分配因子，

每个子载波带的带宽为W_p：

共有P个子载波。

S2：在第一个时隙，中心用户和边缘用户均直接接收从基站侧发出的信息，中心用户可检测到基站发送给边缘用户的信息；

中心用户接收基站的信号：

其中，h_i表示中心用户侧的信道状态系数，z_i表示中心用户侧接收信号的高斯白噪声，

x_j分别表示基站发送给中心用户、边缘用户的信号；

边缘用户接收基站的信号：

其中，h_j表示边缘用户侧的信道状态系数，z_j表示边缘用户侧接收信号的高斯白噪声；

中心用户的信噪比为：

令

则

边缘用户的信噪比为：

则

中心用户收集的能量为：E＝Tβ_ip_sη|h_j|²，其中，T表示信息传输总时间，η为能量转换效率，β_i为功率分割系数，用于能量收集的功率，1-β_i则用于信息解码，且此处收集到的能量只用于信息解码；

在中心用户处用于协作边缘用户传输信息的传输功率为：

S3：在第二个时隙，中心用户具有携能技术，分割部分功率进行收集能量，为边缘用户解码转发信息服务；

在协作传输时，中心用户检测到信号

的信噪比为：

边缘用户从中心用户接收的信号为：

其中，h_r表示中心用户与边缘用户间信道状态系数；

边缘用户从中心用户处接收信号

的信噪比为：

接收信号

的传输速率为：

S4：给出基于基站与用户的信道状态的最佳用户配对方案；

如图1所示，将基站坐标设为(0，0)，基于用户与基站的距离分为中心用户和边缘用户，即内环区域的中心用户与基站距离d＜d_α，外环区域的边缘用户与基站距离d_β＜d＜d_χ，其中d_α＜d_β＜d_χ，d_α、d_β、d_χ分别为内环的内、外径和外环的外径，并将整个区域划分为四个区域，第一、二、三、四象限分别为d₁,d₂,d₃,d₄，在每一个象限内对将中心用户与边缘用户进行配对，并依次将与基站最近的中心用户和最近的边缘用户进行配对，直到最远的中心用户与最远的边缘用户进行配对，N_s＝argmax_i＝1,...,K|h_i|²，F_s＝argmax_j＝1,...,K|h_j|²，即N_s与F_s进行配对，直接根据信道距离造成信道的衰弱进行用户配对。

本方案使用的SWIPT-NOMA协议，中心用户的停机可能在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户不能检测到信号

第二种是中心用户能检测到信号

但是不能检测到信号

基于此，中断概率可以表示为：

中心用户的信噪比为：

中心用户的中断概率为：

其中γ₁和γ₂分别为中心用户和边缘用户目标速率R₁和R₂对应的信噪比，

本方案使用的SWIPT-NOMA协议，边缘用户的停机可能在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户可以检测到信号

但是在边缘用户处接收到的总信噪比无法达到目标速率；第二种是中心用户和边缘用户都无法检测到信号

边缘用户的信噪比为：

边缘用户的中断概率为：

其中直接传输阶段边缘用户接收到信号

的信噪比为：

协作传输阶段在中心用户到检测信号

的信噪比为：

边缘用户从中心用户处接收到的信号

的信噪比为：

边缘用户接收信号

的信噪比为直接传输阶段与中继用户协作传输阶段的信噪比之和。

S5：确定功率分配、分割因子和能量效率等参数；

在对NOMA用户进行功率分配时，采用动态功率分配进行用户间的功率配对，对于能量中继用户处的功率分割采用静态功率分配，本方案SWIPT中继的能量收集全部用来解码转发和信息，能量效率为定值。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种基于非正交多址接入的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：

S1：构建基于非正交多址和携能网络的系统模型；

S2：在第一个时隙传输阶段，中心用户和边缘用户均直接接收从基站侧发出的信息，中心用户能检测到基站发送给边缘用户的信息；

S3：在第二个时隙传输阶段，中心用户具有携能技术，分割部分功率进行收集能量，为边缘用户解码转发信息服务；

S4：构建基于基站与用户的信道状态的最佳用户配对方案，具体包括：将基站坐标设为(0，0)，基于用户与基站的距离分为中心用户和边缘用户，即内环区域的中心用户与基站距离d＜d_α，外环区域的边缘用户与基站距离d_β＜d＜d_χ，其中d_α＜d_β＜d_χ，d_α、d_β、d_χ分别为内环的内、外径和外环的外径，并将整个区域划分为四个区域，第一、二、三、四象限分别为d₁，d₂，d₃，d₄，在每一个象限内对将中心用户与边缘用户进行配对，并依次将与基站最近的中心用户和最近的边缘用户进行配对，直到最远的中心用户与最远的边缘用户进行配对，N_s＝argmax_{i＝1，...，K}|h_i|²，F_s＝arg max_{j＝1，...，K}|h_j|²，即N_s与F_s进行配对，直接根据信道距离造成信道的衰弱进行用户配对；其中，h_i表示第i个中心用户侧的信道状态系数，h_j表示第j个边缘用户侧的信道状态系数；

S5：确定功率分配、分割因子和能量效率。

2.根据权利要求1所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S1中，构建的系统模型为：由一个基站，及附着在基站侧的若干用户，基于用户与基站的欧氏距离分为两组，其中近端为中心用户N＝{N_i，i＝1，2，…，K}，远端为边缘用户F＝{F_j，j＝1，2，…，K}，γ_i，j表示第i个中心用户和第j个边缘用户在同一子载波上配对，共同组成的下行网络链路；其中基站和所有用户均服从泊松点分布；

基站发送信号x为：

其中，p_s是基站的发射功率，α_i和α_j分别是NOMA用户的功率分配因子，

每个子载波带的带宽W_p为：

共有P个子载波。

3.根据权利要求2所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S2中，第一个时隙传输阶段具体包括：

中心用户接收基站的信号：

其中，h_i表示中心用户侧的信道状态系数，z_i表示中心用户侧接收信号的高斯白噪声，

x_i、x_j分别表示基站发送给中心用户、边缘用户的信号；

边缘用户接收基站的信号：

其中，h_j表示边缘用户侧的信道状态系数，z_j表示边缘用户侧接收信号的高斯白噪声，

中心用户的信噪比为：

令

则

边缘用户的信噪比为：

则

中心用户收集的能量为：E＝Tβ_ip_sη|h_j|²，其中，T表示信息传输总时间，η为能量转换效率，β_i为功率分割系数；

在中心用户处用于协作边缘用户传输信息的传输功率为：

4.根据权利要求3所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S3中，第二个时隙传输阶段具体包括：

边缘用户从中心用户接收的信号为：

其中，h_r表示中心用户与边缘用户间信道状态系数；

在协作传输时，中心用户检测到信号

的信噪比为：改为

边缘用户从中心用户处接收信号

的信噪比为：

接收信号

的传输速率为：

5.根据权利要求4所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S3中，使用SWIPT-NOMA协议，中心用户的中断在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户检测不到信号

第二种是中心用户能检测到信号

但检测不到信号

基于此，中心用户的中断概率为：

其中，γ₁和γ₂分别为中心用户和边缘用户目标速率R₁和R₂对应的信噪比，

6.根据权利要求5所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S3中，使用的SWIPT-NOMA协议，边缘用户的停机在以下两种情况下发生：

第一种是中心用户可以检测到信号

但是在边缘用户处接收到的总信噪比无法达到目标速率；第二种是中心用户和边缘用户都无法检测到信号

边缘用户的信噪比为：

即边缘用户的信噪比为直接传输阶段与中继用户协作传输阶段的信噪比之和；

边缘用户的中断概率为：

7.根据权利要求5所述的携能通信网络用户配对方法，其特征在于，步骤S5具体包括：在对NOMA用户进行功率分配时，采用动态功率分配进行用户间的功率配对，对于能量中继用户处的功率分割采用静态功率分配，SWIPT中继的能量收集全部用来解码转发和信息，能量效率为定值。

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