CN113114319B - 一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法。其针对基站向用户发送的多簇信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除；簇间干扰消除方法包括步骤：一、根据基站向用户发送的每簇信号确定相应的簇中心用户，二、对各个所述簇中心用户进行波束选择，选择出最优波束，得到最优波束信道，三、根据波束信道进行数字预编码设计，实现簇间干扰消除；簇内干扰消除方法为：对单簇信号之内的簇内用户进行簇内功率分配优化，以实现簇内干扰消除。本发明是通过针对基站向用户发送的信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除，确保每个用户达到最小速率需求的同时能够最大化系统可达和速率。

Description

一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法及其应用
技术领域
本发明涉及透镜毫米波NOMA系统领域，尤其涉及一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法及其应用。
背景技术
毫米波通信是5G无线通信主要的关键技术之一，可以利用其丰富的频率资源来支持超高的数据传输速率。毫米波较小的波长能够在相同的物理空间中集成大量天线，通过特定的天线配置来调制发射信号的辐射方向，提供更多的复用增益和波束形成增益。毫米波大规模天线系统可以实现系统容量的数量级增加，然而在系统中使用大量射频链会造成较高的硬件成本和能耗。
在透镜天线阵列的毫米波系统中引入功率域NOMA能够进一步提升系统可达和速率和能量效率，但需进行波束选择和干扰消除的联合设计，为了提高系统可达和速率性能，需要基站向用户发送的信号做簇间和簇内的干扰消除处理。
发明内容
为解决对基站向用户发送的信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除，以提高系统可达和速率性能的技术问题，本发明提供一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法及其应用。
本发明采用以下技术方案实现：一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其针对基站向用户发送的多簇信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除；
其中，所述簇间干扰消除方法包括步骤：
步骤S1，根据基站向用户发送的每簇信号确定相应的簇中心用户；
步骤S2，对各个所述簇中心用户进行波束选择，选择出最优波束，得到最优波束信道
Figure BDA0003028015870000021
其中，波束选择方法包括步骤：
步骤S21，选择第i簇中心用户μi的最优波束序列
Figure BDA0003028015870000022
其中，
Figure BDA0003028015870000023
为波束信道
Figure BDA0003028015870000024
的第n行第μi列的元素；
步骤S22，选择波束集合Φ：
Figure BDA0003028015870000025
其中，集合Z＝{1，…，N}；
步骤S23，从集合Z中移除已经选择的波束：
Figure BDA0003028015870000026
步骤S24，集合Z经过移除后，剩下的为最优波束，最优波束信道
Figure BDA0003028015870000027
Figure BDA0003028015870000028
其中，1≤n≤N，M＝|Φ|，K为用户数，
Figure BDA0003028015870000029
表示M行K列的复数矩阵；
步骤S3，根据所述最优波束信道
Figure BDA00030280158700000210
进行数字预编码设计，得到数字预编码，以实现簇间干扰消除；
所述簇内干扰消除方法为：对单簇信号之内的簇内用户进行簇内功率分配优化，以实现簇内干扰消除；所述簇内功率分配优化表示为：
Figure BDA00030280158700000211
Figure BDA00030280158700000212
其中，
Figure BDA00030280158700000213
为最小信噪比，Rmin为用户的最小可达速率，nm为第m簇中的用户数，ζm，k为第m簇中第k个用户的功率分配因子，Pm为第m簇中分配的总功率，
Figure BDA00030280158700000214
为用户的等效信道，σ2表示噪声功率。
作为上述方案的进一步改进，所述簇中心用户的确定包括步骤：步骤S11，针对基站向用户发送的信号通过K-means算法收敛直接得到簇中心虚用户；步骤S12，定义距离所述簇中心虚用户最近的实际用户为簇中心实用户。
作为上述方案的进一步改进，所述数字预编码设计包括步骤：步骤S31，经过波束选择后，M个用户簇的波束信道矩阵表示为He：
Figure BDA0003028015870000031
其中，
Figure BDA0003028015870000032
为第m簇的波束信道向量；
步骤S32，通过迫零方法，得到数字预编码的矩阵
Figure BDA0003028015870000033
以实现簇间干扰消除，其中，
Figure BDA0003028015870000034
表示He矩阵的共轭转置，
Figure BDA0003028015870000035
表示M行M列的复数矩阵；
步骤S33，通过归一化处理后，第m簇的数字预编码的向量wm：
Figure BDA0003028015870000036
其中，
Figure BDA0003028015870000037
作为上述方案的进一步改进，在步骤S33中，所述数字预编码的向量wm为第m簇内各用户共享的数字预编码向量。
作为上述方案的进一步改进，所述η表示为：
Figure BDA0003028015870000038
其中，Rmin为用户的最小可达速率。
作为上述方案的进一步改进，所述η的最优值通过二分法在[0，τ]的范围内确定，以使每个用户达到最小速率需求的同时能够最大化系统可达和速率，其中，上界τ表示为：
Figure BDA0003028015870000039
作为上述方案的进一步改进，所述系统可达和速率Rsum表示为：
Figure BDA00030280158700000310
作为上述方案的进一步改进，所述第m簇中第k个用户的可达速率Rm，k表示为：Rm，k＝log2(1+γm，k)，其中，γm，k为第m簇中第k个用户的接收信号信干比。
作为上述方案的进一步改进，所述第m簇中第k个用户的接收信号信干比γm，k表示为：
Figure BDA00030280158700000311
其中，
Figure BDA00030280158700000312
pm，k为向第m簇中第k个用户发送信号的发送功率。
本发明还提供了一种透镜毫米波NOMA系统，其根据所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法对透镜毫米波NOMA系统的系统可达和速率性能进行优化。
本发明的有益效果为：采用簇间干扰消除方法和簇内干扰消除方法对系统可达和速率性能进行优化，系统可达和速率和能量效率上均有显著的性能提升，能够有效降低系统所需的功率损耗，适合大规模用户场景。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法中簇间干扰消除方法的流程图。
图2为本发明实施例3提供的一种透镜毫米波NOMA系统中用户簇半径不同时的系统可达和速率随信噪比变化的曲线图。
图3为本发明实施例3提供的一种透镜毫米波NOMA系统中用户簇半径为五米时的系统可达和速率随信噪比变化的曲线图。
图4为本发明实施例3提供的一种透镜毫米波NOMA系统中能量效率随用户数变化的曲线图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例介绍了一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其包括针对基站向用户发送的信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除。
请参阅图1，所述簇间干扰消除方法包括步骤：
步骤S1，根据基站向用户发送的每簇信号确定相应的簇中心用户。
其中，在单透镜毫米波系统中，簇中心用户分为簇中心虚用户和簇中心实用户。簇中心虚用户是通过K-means算法收敛时直接得到的，而簇中心实用户是距离簇中心虚用户最近的实际用户。
步骤S2，对各个所述簇中心用户进行波束选择，选择出最优波束，得到最优波束信道
Figure BDA0003028015870000051
其中，波束选择方法包括步骤：
步骤S21，选择第i簇中心用户μi的最优波束序列
Figure BDA0003028015870000052
其中，
Figure BDA0003028015870000053
为波束信道
Figure BDA0003028015870000054
的第n行第μi列的元素。
步骤S22，选择波束集合Φ：
Figure BDA0003028015870000055
其中，集合Z＝{1，…，N}。
步骤S23，从集合Z中移除已经选择的波束：
Figure BDA0003028015870000056
步骤S24，集合Z经过移除后，剩下的为最优波束，最优波束信道
Figure BDA0003028015870000057
Figure BDA0003028015870000058
其中，1≤n≤N，M＝|Φ|，K为用户数，
Figure BDA0003028015870000059
表示M行K列的复数矩阵。
步骤S3，根据所述最优波束信道
Figure BDA00030280158700000510
进行数字预编码设计，得到数字预编码，以实现簇间干扰消除。
所述数字预编码设计包括步骤：
步骤S31，经过波束选择后，M个用户簇的波束信道矩阵He表示为：
Figure BDA00030280158700000511
其中，
Figure BDA00030280158700000512
为第m簇的波束信道向量。
步骤S32，通过迫零方法，得到数字预编码的矩阵
Figure BDA00030280158700000513
以实现簇间干扰消除。其中，
Figure BDA00030280158700000514
表示He矩阵的共轭转置，
Figure BDA00030280158700000515
表示M行M列的复数矩阵。
步骤S33，通过归一化处理后，第m簇内各用户共享的数字预编码的向量wm表示为：
Figure BDA00030280158700000516
其中，
Figure BDA00030280158700000517
第m簇的用户的等效信道满足
Figure BDA00030280158700000518
所述簇内干扰消除方法为：通过所述簇间干扰消除后，确定了每个簇的最优波束和数字预编码，各簇内用户等效信道增益的排序，即SIC的最优解码顺序得以确定，为了有效消除簇内用户之间的干扰，需进行簇内功率的分配优化，即确保每个用户最小速率需求的同时最大化系统可达和速率，以实现簇内干扰消除，第m簇内的各用户功率分配因子为：
Figure BDA0003028015870000061
Figure BDA0003028015870000062
Figure BDA0003028015870000063
Figure BDA0003028015870000064
其中
Figure BDA0003028015870000065
簇内功率分配优化可进一步表示为：
Figure BDA0003028015870000066
其中，nm为第m簇中的用户数，ζm，k为第m簇中第k个用户的功率分配因子，Pm为第m簇中分配的总功率，
Figure BDA0003028015870000067
为用户的等效信道，
Figure BDA0003028015870000068
为用户的最小信噪比，Rmin为所有用户的最小可达速率，σ2表示噪声功率。因此式中只含有一个未知变量η，为了获得η的最优值，以确保每个用户最小速率需求的同时最大化系统可达和速率，可以采用二分法在[0，τ]的范围内找到
Figure BDA0003028015870000069
的最优值，其中上界为
Figure BDA00030280158700000610
本发明是通过针对基站向用户发送的信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除，确保确保每个用户最小速率需求的同时最大化系统可达和速率。本发明先对多簇信号的簇中心用户进行确定，之后根据簇中心用户的信道进行最优波束的选择，选择出最优波束后，根据波束信道进行数字预编码的设计，以实现多簇信号的簇间干扰消除；通过簇间干扰消除，确定了每个簇的最优波束和数字预编码，各簇内用户等效信道增益的排序，从而对簇内功率进行分配优化，以实现单簇信号内的簇内干扰消除。
实施例2
本实施例介绍了一种透镜毫米波NOMA系统，其采用簇间干扰消除方法和簇内干扰消除方法对透镜毫米波NOMA系统的系统可达和速率性能进行优化。
系统可达和速率性能的优化主要有两种方式：一种是最大化系统可达和速率，但是当最大化和速率时，基站倾向于将大部分功率分配给信道质量好的用户，导致信道增益较低的用户不能正常工作；第二种是保障用户的公平性，但当最大化公平性时可能会导致系统可达和速率的性能损失。
为了实现系统速率性能的同时保证用户公平性，考虑在确保每个用户最小速率需求的同时最大化系统可达和速率，本实施例采用簇间干扰消除方法和簇内干扰消除方法对系统可达和速率性能进行优化。
透镜毫米波NOMA系统采用Saleh-Valenzuela信道模型，用户k的空间信道hk：hk＝βka(θk)，其中，βk和θk分别代表用户k的LoS路径的复增益和空间方向。为减少射频链路数，采用透镜天线阵列将传统的空间信道转换为波束信道。
透镜天线阵列的功能是利用变换矩阵U实现空间离散傅立叶变换，
Figure BDA0003028015870000071
为一组给定的正交基，其分别是覆盖整个空间N个方向的阵列响应向量U：
Figure BDA0003028015870000072
其中，
Figure BDA0003028015870000073
为预定义的空间传播方向，
Figure BDA0003028015870000074
为波束信道的阵列响应向量，通过变换矩阵U，空间信道H可转换为波束信道
Figure BDA0003028015870000075
其中，
Figure BDA0003028015870000076
的每一行对应一个波束，各波束对应空间方向分别为
Figure BDA0003028015870000081
为用户k的波束信道向量，k＝1，2，…K。
第m簇的用户集合表示为Sm，且有
Figure BDA0003028015870000082
第m簇中的用户数记为nm，则有
Figure BDA0003028015870000083
经过最优波束的选择后，第m簇中第k个用户波束信道向量记为
Figure BDA0003028015870000084
第m簇的归一化数字预编码向量记为
Figure BDA0003028015870000085
并有||wm||2＝1，其等效信道为
Figure BDA0003028015870000086
为了不失一般性，假设第m簇的用户等效信道满足如下条件：
Figure BDA0003028015870000087
第m簇的用户按照等效信道增益的降序进行连续自干扰消除，则第m簇中第k个用户的接收信号为：
Figure BDA0003028015870000088
其中，xm，k是向第m簇中第k个用户发送的信号，pm，k为该信号的发送功率。
则第m簇的总功率为
Figure BDA0003028015870000089
其中ζm，k为用户的功率分配因子。
第m簇中第k个用户的接收信号信干比γm，k表示为：
Figure BDA00030280158700000810
其中，
Figure BDA00030280158700000811
第m簇中第k个用户的可达速率Rm，t表示为：Rm，k＝log2(1+γm，k)。
系统可达和速率Rsum表示为：
Figure BDA0003028015870000091
实施例3
本实施例是在实施例2的基础上介绍了系统可达和速率随信噪比(SNR)变化的关系。
请参阅图2，假设基站有N＝32个天线的透镜天线阵列和NRF＝2个射频链，用户数为K＝6，用户k与基站之间存在LoS路径，信道复增益βk～CN(0，1)，其空间方位θk服从区间在
Figure BDA0003028015870000092
均匀分布，其中信噪比(SNR)定义为
Figure BDA0003028015870000093
用户簇随机分布在以基站为中心的半径R＝50m圆上，系统可达和速率随信噪比(SNR)变化的关系曲线如图1所示，用户簇的半径r分别设定为5m、3m和1m。
从图2中可以看出，随着用户簇半径的减小，所提NOMA-簇中心虚用户方案和所提NOMA-簇中心实用户方案的系统可达和速率曲线越接近重合。这是由于簇中心虚用户是通过K-means算法收敛时直接得到的，而簇中心实用户是距离簇中心虚用户最近的实际用户，随着用户簇半径变小，簇中心的虚、实用户会在更大概率上重合。
请参阅图3，在上述条件的基础上采用基于K-means的最优波束的选择方案，并在相同簇中用户被分配正交频率资源，同时选择M个最大信道增益的用户分别作为每个簇的簇首(Cluster-head)，并基于簇首进行最优波束选择。当r＝5m时，系统可达和速率随SNR的变化趋势如图3所示。
从图3可以看出，所提的优化方案可以显著地提高系统的可达和速率。所提NOMA-簇中心虚用户的波束选择方案，选择的波束指向与实际的用户簇中心方向有一定偏差；而基于簇首的波束选择方案，只根据用户的信道增益确定簇首选择最优波束，忽略了用户信道之间的相关性对波束选择的影响，簇间干扰不能被有效抑制；所提NOMA-簇中心实用户方案，对于波束方向偏差的信号功率损失分析，确定簇中心实用户选择波束，仿真验证该方案能够提高用户簇分布时的系统可达和速率。相比于基于簇首的波束选择方案，所提方案的可达和速率可提升约10bps/Hz，相比于簇中心虚用户的选择方案，可提升约3bps/Hz。
请参阅图4，当SNR＝30dB时，能量效率随用户数变化趋势如图4所示，能量效率EE是系统可达和速率与总功率的比值，
Figure BDA0003028015870000101
其中，PRF是每个射频链的功率消耗，PSW是开关的功率消耗，PBB是基带的功率消耗，Ptotal为系统总传输功率。
各参数分别设置为PRF＝300mW，PSW＝5mW，PBB＝200mW，Ptotal＝32mW，由图3能够看出，随着用户数的增加，所提方案的能量效率均高于其它两种对比方案。所提NOMA-簇中心实用户方案的能量效率也明显好于所提NOMA-簇中心虚用户方案的能量效率，这主要因为其在系统可达和速率上的优势。在透镜毫米波系统中应用NOMA服务簇内多个用户时，所提方案能有效降低系统所需的功率能耗。
以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，其针对基站向用户发送的多簇信号做多簇信号之间的簇间干扰消除和单簇信号之内的簇内干扰消除；
其中，所述簇间干扰消除方法包括步骤：
步骤S1，根据基站向用户发送的每簇信号确定相应的簇中心用户；
步骤S2，对各个所述簇中心用户进行波束选择，选择出最优波束，得到最优波束信道
Figure FDA0003376212250000011
其中，波束选择方法包括步骤：
步骤S21，选择第i簇中心用户μi的最优波束序列
Figure FDA0003376212250000012
Figure FDA0003376212250000013
其中，
Figure FDA0003376212250000014
为波束信道
Figure FDA0003376212250000015
的第n行第μi列的元素；
步骤S22，选择波束集合Φ：
Figure FDA0003376212250000016
其中，集合Z＝{1,…,N}；
步骤S23，从集合Z中移除已经选择的波束：
Figure FDA0003376212250000017
步骤S24，集合Z经过移除后，剩下的为最优波束，最优波束信道
Figure FDA0003376212250000018
Figure FDA0003376212250000019
其中，1≤n≤N，M＝|Φ|，K为用户数，
Figure FDA00033762122500000110
表示M行K列的复数矩阵；
步骤S3，根据所述最优波束信道
Figure FDA00033762122500000111
进行数字预编码设计，得到数字预编码，以实现簇间干扰消除；
所述簇内干扰消除方法为：对单簇信号之内的簇内用户进行簇内功率分配优化，以实现簇内干扰消除；所述簇内功率分配优化表示为：
Figure FDA00033762122500000112
其中，
Figure FDA00033762122500000113
为最小信噪比，Rmin为用户的最小可达速率，nm为第m簇中的用户数，ζm,k为第m簇中第k个用户的功率分配因子，Pm为第m簇中分配的总功率，
Figure FDA0003376212250000021
为用户的等效信道，σ2表示噪声功率。
2.如权利要求1所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述簇中心用户的确定包括步骤：
步骤S11，针对基站向用户发送的信号通过K-means算法收敛直接得到簇中心虚用户；
步骤S12，定义距离所述簇中心虚用户最近的实际用户为簇中心实用户。
3.如权利要求1所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述数字预编码设计包括步骤：
步骤S31，经过波束选择后，M个用户簇的波束信道矩阵表示为He：
Figure FDA0003376212250000022
其中，
Figure FDA0003376212250000023
为第m簇的波束信道向量；
步骤S32，通过迫零方法，得到数字预编码的矩阵
Figure FDA0003376212250000024
Figure FDA0003376212250000025
以实现簇间干扰消除，其中，
Figure FDA0003376212250000026
表示He矩阵的共轭转置，
Figure FDA0003376212250000027
表示M行M列的复数矩阵；
步骤S33，通过归一化处理后，第m簇的数字预编码的向量wm：
Figure FDA0003376212250000028
其中，
Figure FDA0003376212250000029
m∈{1,2,3,...,M}。
4.如权利要求3所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，在步骤S33中，所述数字预编码的向量wm为第m簇内各用户共享的数字预编码向量。
5.如权利要求1所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述最小信噪比η的最优值通过二分法在[0,τ]的范围内确定，所述最小信噪比η的最优值使每个用户达到最小速率需求的同时能够最大化系统可达和速率，其中，
Figure FDA00033762122500000210
6.如权利要求5所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述系统可达和速率Rsum表示为：
Figure FDA0003376212250000031
其中，Rm,k为所述第m簇中第k个用户的可达速率。
7.如权利要求6所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述第m簇中第k个用户的可达速率Rm,k表示为：Rm,k＝log2(1+γm,k)，其中，γm,k为第m簇中第k个用户的接收信号信干比。
8.如权利要求7所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法，其特征在于，所述第m簇中第k个用户的接收信号信干比γm,k表示为:
Figure FDA0003376212250000032
其中，
Figure FDA0003376212250000033
pm,k为向第m簇中第k个用户发送信号的发送功率。
9.一种透镜毫米波NOMA系统，其特征在于，其根据如权利要求1至8任意一项所述的基于波束选择和干扰消除的联合优化方法对透镜毫米波NOMA系统的系统可达和速率性能进行优化。
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