CN113115233A - 机会式noma协作多播中继选择方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了机会式NOMA协作多播中继选择方法，基站发送由各用户信息形成的混合消息，所述混合消息通过各用户消息按照一对一映射准则实现；确定根据接收到的混合消息利用映射准则正确解码出用户信息的多播用户，根据基站与所述多播用户之间的信道增益构建多播用户候选集；采用最大最小中继选择方法或最大加权谐波平均中继选择方法从多播用户候选集中选择中继节点。发明采用映射准则对用户信息进行编码和解码，方法复杂度更低；并且明显达到了在第一时隙从基站传输到任意中继的最优公共中断概率(Common Outage Probability,COP)。

Description

机会式NOMA协作多播中继选择方法

技术领域

本发明属于机会式NOMA通信技术领域，具体涉及机会式NOMA协作多播中继选择方法。

背景技术

非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)由于比传统正交多址(OMA)具有更高的频谱效率，近年来备受关注，被认为是未来移动通信网络中很有前途的多址方案。

为了保证用户的公平性，NOMA总是在较弱信道条件下给用户分配更多的功率，因此其性能会受到这些较弱信道的限制。为了提高NOMA的性能，现有技术引入了用户协作，在此基础上，通过解码转发(DF)机制，分配信道较强的用户帮助其他用户。近年来，带半双工中继的协作NOMA网络受到了广泛的关注。为了进一步提高协作NOMA网络的性能，研究了多中继NOMA网络。

但是，基于NOMA的协作多播系统研究大多是在基站和用户之间添加中继，实现分集阶数的提高，保证用户的可靠性。这种中继选择方案依赖于大量链路的信道增益，且需要通过节点间信息交互来实现，会带来较大的系统开销。目前，机会式NOMA协作多播系统中的中继选择方法没有考虑用户的信道条件，无法达到最优中断性能。

发明内容

本发明旨在针对目前机会式NOMA协作多播系统中的中继选择方法系统开销过大且无法达到最优中断性能，提供一种中继选择方法。

本发明采用以下技术方案：

机会式NOMA协作多播中继选择方法，包括：基站发送由各用户信息形成的混合消息，所述混合消息通过各用户消息按照一对一映射准则实现；确定根据接收到的混合消息利用映射准则正确解码出用户信息的多播用户，根据基站与所述多播用户之间的信道增益构建多播用户候选集；

采用最大最小中继选择方法或最大加权谐波平均中继选择方法从多播用户候选集中选择中继节点。

假设系统中有n个用户，所述混合消息表示为：

所述映射准则表示为：W₁×W₂×...×W_n→W₀，其中，W_i表示第i用户的消息，i＝1,2,...,n；“×”为笛卡尔积。

进一步地，所述多播用户候选集表示为：

其中，K表示多播用户候选集中的多播用户数，

h_k表示为从基站到多播用户k的信道系数，ρ为发射信噪比，R_i表示第i单播用户消息W_i的速率，i＝1,2,...,n，n为系统中用户个数。

进一步地，所述最大最小中继选择方法包括：

基站发送混合信号

为用户π_k,i的发射功率，α_k,i为用户π_k,i正确解码其消息所需的功率因数，i＝1,2,...,n，n为系统中用户个数；在固定功率分配下，功率分配因子α_k,i，i＝1,2,...,n在每个衰落块内保持不变，因此在中继处的等效功率分配因子为

多播用户候选集中多播用户k利用功率域NOMA进行消息传输，相应的用户阶数即为(π_k,1,π_k,2,...,π_k,n)∈{(1,2,...,n),(2,1,...,n),...,(n,n-1,...,1)}，h_k,i表示多播用户k与单播用户i间链路的信道衰落因子，为确保多播用户接收信号质量，对于中继的信道，要求能正确地传达两个用户的消息；根据基站与所述多播用户之间的信道增益对信道增益进行升序排列，构造多播用户候选集

为确保多播用户接收信号质量，根据信道增益值对用户进行升序排列，构造一个仅包含信道质量较好多播用户的用户候选集。在此CR-NOMA系统中，从多播用户候选集中最优地选择一个多播用户与单播用户同时接入，由多播用户转发单播用户信息。由于多播用户采用“解码转发”机制，即解码成功后对用户信息重新编码调制并转发，单播用户接收到的转发信号不受“基站-多播用户”链路的信道质量影响。当存在至少一个单播用户解码失败时，单播传输中断发生，故单播可靠性受制于接收信号质量最差的单播用户。选取多播用户候选集中与单播用户之间最差转发链路信道增益最好的多播用户作为中继节点，表达式如下：

其中，X_k代表多播用户与单播用户之间最差转发链路的信道增益。

进一步地，所述最大加权谐波平均中继选择方法包括：

基站发送混合信号

其中，多播用户候选集中多播用户k采用自适应功率分配，α_k,i根据瞬时CSI进行调整；

根据每个多播用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和构成多播用户候选集

每个用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和表示为：

其中，

为用户π_k,i速率的估计量，i＝1,2,...,n，ρ为发射信噪比。

表示中继k到用户π_k,i的信道系数，i＝1,2,...,n。为确保多播用户接收信号质量，对于中继的信道，要求能正确地解码传达两个用户的消息。Y_k(π_k,1,π_k,2,...,π_k,n)代表每个用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和。由此，可根据最小功率因数之和构成多播用户候选集

多播用户采用“解码-转发”机制，即解码成功后对单播用户信息重新编码调制并转发，当存在至少一个单播用户解码失败时，单播传输中断发生，因此，单播传输可靠性受制于接收信号质量最差的单播用户。选取使每个多播用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和最小的多播用户作为中继节点，表达式如下：

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如以上技术方案任意一种可能的实施方式所述方法的步骤。

本发明所取得的有益技术效果：本发明采用映射准则对用户信息进行编码和解码，方法复杂度更低；并且明显达到了在第一时隙从基站传输到任意中继的最优公共中断概率COP。中继端固定和自适应功率分配的协作NOMA网络，所提出的最优两级WMM和MWHM方案优于现有的次优中继方案，也能够满足用户可靠性的要求。

附图说明

图1为协作CR-NOMA系统模型图；

图2为本发明具体实施例主用户(单播用户)的中断概率示意图；

图3为本发明具体实施例次用户(多播用户)的中断概率示意图；

图4为本发明具体实施例在BPCU中，不同中继方案COP与目标率R的比较；

图5为本发明具体实施例不同中继方案COP与距离d的比较；

图6为本发明具体实施例方法流程示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例：如图1所示，考虑一个具有一个基站(BS)、两个用户和K个半双工DF的协作NOMA网络中继。同时采用公共中断概率COP为绩效指标。

机会式NOMA协作多播中继选择方法流程示意图如图6所示。

基站BS和中继节点受发射功率P的约束，每个中继节点配备一个天线。假设由于深度衰落，基站与用户之间不存在直接连接，基站通过中继与用户进行通信。h_k和g_k,i别表示为从BS到中继k的信道系数和从中继k到用户i的信道系数，i＝1,2,k∈[1:K]。所有的信道系数都是独立的且缓慢的瑞利衰落，它们在一个衰落块内维持不变，但在一个衰落块与另一个衰落块之间独立地变化。这些信道增益的平均值假定为

其中，

并且遵循指数分布。已经在式(1)中假设K个中继相对紧密地聚集在一起，使得它们到同一节点的距离相等。因此，某个节点与中继之间的信道增益是独立同分布。然而，提出的中继方案并不依赖于这个假设，它只是用来简化分析。此外，假定每个中继k知道h_k和(g_k,1,g_k,2)的信道状态信息(CSI)，而BS则不知道CSI。

BS将向每个衰落块内的每个用户发送消息，并且每个衰落块被划分为两个时隙。BS发送携带由两个用户消息(W₁和W₂)形成的混合消息W，即

该消息映射策略可以通过一个一对一映射准则来实现：W₁×W₂→W₀。其中，“×”为笛卡尔积。所有节点都符合此映射标准。因此，R₀＝R₁+R₂成立，其中R_i是消息W_j的速率，j＝0,1,2。因此，中继k满足

其中，

为方差为δ²的高斯噪声。

本实施例所采用的第一个时隙编码策略对应的译码策略复杂度更低。具体来说，中继节点先解码W₀，然后根据简单的映射准则：W₁×W₂→W₀对用户信息进行解码，而不是在每个中继上使用复杂的连续干扰抵消(Successive Interference Cancellation,SIC)。此外，该编码策略明显达到了在第一时隙从基站传输到任意中继的最优公共中断概率COP。

在第二时隙，假设在不失一般性的情况下，选择中继k使用功率域NOMA进行消息传输，相应的用户阶数记为(π_k,1,π_k,2)∈{(1,2),(2,1)}。其中，中继k向两个用户发送叠加码字

码字

携带消息

α_k,i表示满足α_k,i>0和α_k,1+α_k,2≤1的功率分配因子。因此，用户π_k,i接收

其中，

是方差为δ²的高斯噪声。

根据NOMA的解码原理，用户π_k,1将用户π_k,2的信号作为噪声对

进行解码，用信干噪比(SINR)表示

其中，

为发射信噪比。用户π_k,2首先将自己的信号视为噪声，尝试解码

对应的SINR用Γ_k,21表示；然后消除用户π_k,1的信号，解码

的接收信噪比为Γ_k,22，其中

考虑两种类型的功率分配：(i)固定功率分配，α_k,i在任何信道条件下保持不变；(ii)自适应功率分配，α_k,i是根据瞬时CSI进行自适应，系统开销较大，需要在每个衰落块开始时告知每个用户功率分配因子。

第一阶段是通过专注于正确解码混合消息W₀来构建中继的以下子集：

假设在不损失一般性的情况下，R₁≤R₂。

第二阶段从K中选择最好的中继发送消息给用户。

根据这两种考虑的功率分配类型，将提出两种中继方案。

1)固定功率分配：每个多播用户k采用固定功率分配时，α_k,i在每个衰落块内保持不变；并在中继处设等效功率分配因子

表示

定义一些参数和函数如下：

从式(4)和式(5)可知，对中继的信道要求正确地传达了两个用户的消息

因此，固定功率分配的最优用户排序为

进一步，由式(10)可知，功率分配固定的第二阶段最优中继方案称为“最大-最小”方案：

2)自适应功率分配：多播用户k采用自适应功率分配时，根据瞬时CSI调整α_k,i。简洁起见，定义如下几个函数：

由式(4)和式(5)可知，为了正确解码两个用户处的消息，每个功率因数所需的最小值可以表示为

因此，每个用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和为：

显然，对于中继k正确传输两个用户消息的信道要求可以写成

因此，自适应功率分配的最优用户排序为：

注意，

是

所以有

因此，由式(16)可知，具有自适应功率分配的第二阶段最优中继方案称为“最大加权谐波平均方案”，可表示为：

以下将分析所提中继方案中所实现的COP。当n个中继在第一个时隙能正确解码W₀时(即|K|＝n)，将

和

分别表示为WMM和MWHM方案在固定时隙和自适应功率分配的第二个时隙中的中断事件。在评估整体COP之前，将分别在下面计算

和

A.固定功率分配

对于固定功率分配的第二个时隙，

在下面的引理中给出。

定理1：给定|K|＝n∈[0:K]，

相对于固定功率分配可以表示为

其中，

证明：基于式(10)和式(12)中WMM的中继方案，

可表示为

根据式(11)中固定功率分配的最优用户排序，对于任意k∈K，有

其中，

最后一步是由全概率定律以及从R₁≤R₂推出的β₁≤β₂联合得到的。此外，基于G_i的概率密度函数(PDF)，即

有

从式(21)到式(25)，可以证明此引理。

B.自适应功率分配

对于固定功率分配的第二个时隙，

在下面的引理中给出。

定理2：给定|K|＝n，

相对于自适应功率分配可以表示为

其中，φ(a,b,c,d)定义为

其中，K₁(·)是第二种修正的贝塞尔函数，M是代表精度复杂度折衷的高斯-谢比舍夫正交项的数量，即

和

证明：基于式(16)和式(19)中MWHM的中继方案，

可表示为

此外，在式(18)中，根据自适应功率分配的最优用户排序，对于任意k∈K，有

在式(29)中，T₄可表示为

其中，

另外，Θ的定义为

结合式(28)、式(29)和式(32)，定理可以得到证明。

C.中断性能分析

提出的两阶段WMM和MWHM中继方案的总体COP，用

和

分别可以表示为

其中，

引理1和引理2分别给出了固定功率分配和自适应功率分配的

的精确表达式和

的近似表达式。另外，两种中继方案的分集增益K值相同。

证明：提出的两种中继方案的整体COP可以表示为：

由式(6)可以很容易地计算出在第一次时隙中事件(|K|＝n)的概率为

回顾引理1和引理2，可以得到式(33)中的COP。结合式(33)和式(35)，两阶段WMM方案的分集增益可以很容易地证明为K。其次，对于自适应功率分配的引理2，有

结合式(33)和式(36)，第二种中继方案的分集增益很容易证明为K。因此，单播业务的可靠性得到了改善。

具体实施例通过计算机模拟来评估合作NOMA与几种中继方案的性能。与采用两阶段最大最小中继方案、两阶段DF和两阶段AF方案进行性能比较。其中，式(1)中信道增益的平均值为

其中d₀为BS与中继之间的距离，d_i为中继与用户i之间的距离，λ＝2为路径损失指数。因此，

将固定功率分配方案的因子设为α₁＝0.8，α₂＝0.2。高斯-切比雪夫求积项数为M＝10。

图2、图3和图4分别显示了本实施例提出的最优中继方案和现有的次优方案与以dB为单位的信噪比的交变系数(COPs)、以每通道使用比特数为单位的目标速率R和以米为单位的距离d。

其中，文献[1]：Yang P,Zhang Q,Qin J.Exact Outage Probability of Nth-Best Multicast Relay Networks with Co-Channel Interference[J].IEEE WirelessCommunications Letters,2013,2(6):595-598.

文献[2]：Yang L,Chen J,Kuo Y,et al.Outage Performance of DF-BasedCooperative Multicast in Spectrum-Sharing Cognitive Relay Networks[J].IEEECommunications Letters,2014,18(7):1250-1253.

文献[3]：Zhou J,Wang X,Li M,et al.Outage Analysis of OpportunisticCooperative Multi-Antenna Multicast Based on Space-Time Coding[C]//VehicularTechnology Conference.IEEE,2013:1-5.

从图中可以看出，本文提出的带自适应功率分配的两阶段MWHM方案的COP最低，而本文提出的带固定功率分配的两阶段WMM方案优于两阶段Max-Min方案，这主要是因为编码策略和用户排序策略已经为提出的中继方案进行了优化设计。

具体来说，从图2可以看出，在高信噪比下，由于所有方案的分集增益K相同，所以所有曲线的斜率基本相同；然而，在这些曲线之间存在着持续的性能增益。从图3可以看出，所有COP均随R₂增加。当R₂＝2BPCU时，现有技术中提出的两级MWHM方案和两级AF方案的COP分别达到0.2和0.6，吞吐量提高了40％。从图4可以看出，随着中继与用户2的距离增加，所有的COP都有所增加，特别是在d₂较大的情况下，固定功率分配方案的性能要比自适应功率分配方案差很多。这是因为当d₂变大时，用户2需要更多的功率来支持目标速率(R₂＝1BPCU)，固定的功率分配因子在这种情况下极大地限制了系统COP的性能。

本发明针对K个中继的协同下行NOMA提出了两种最优中继方案(即两阶段WMM方案和MWHM方案)，分别以固定功率分配和自适应功率分配为约束条件。此外，本申请分析了中继提出的两个方案的中断概率，并证明他们达到相同的分集增益K。仿真结果表明，在固定功率分配和自适应功率分配约束条件下，所提出的最优两阶段WMM和MWHM方案分别优于现有的次优中继方案。

本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。

本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，包括：

基站发送由各用户信息形成的混合消息，所述混合消息通过各用户消息按照一对一映射准则实现；确定根据接收到的混合消息利用映射准则正确解码出用户信息的多播用户，根据基站与所述多播用户之间的信道增益构建多播用户候选集；

采用最大最小中继选择方法或最大加权谐波平均中继选择方法从多播用户候选集中选择中继节点。

2.根据权利要求1所述的机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，假设系统中有n个用户，所述混合消息表示为：

所述映射准则表示为：W₁×W₂×...×W_n→W₀，

其中，W_i表示第i个用户的消息，i＝1,2,...,n；“×”为笛卡尔积。

3.根据权利要求1所述的机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，所述多播用户候选集表示为：

其中，K表示多播用户候选集中的多播用户数，

h_k表示为从基站到多播用户k的信道系数，ρ为发射信噪比，R_i表示第i单播用户消息W_i的速率，i＝1,2,...,n，n为系统中用户个数。

4.根据权利要求1所述的机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，所述最大最小中继选择方法包括：

多播用户候选集中的多播用户向单播用户发送混合信号

其中，

为多播用户π_k,i的发射功率，α_k,i为单播用户正确解码其接收到多播用户转发的混合信号所需的功率因数，i＝1,2,...,n，n为系统中用户个数；

多播用户候选集中多播用户k利用功率域NOMA进行混合信号传输，相应的用户阶数为

(π_k,1,π_k,2,...,π_k,n)∈{(1,2,...,n),(2,1,...,n),...,(n,n-1,...,1)}；

选取多播用户候选集中与单播用户之间最差转发链路的信道增益最好的多播用户作为中继节点，表达式如下：

其中，X_k代表多播用户与单播用户之间最差转发链路的信道增益。

5.根据权利要求1所述的机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，所述最大加权谐波平均中继选择方法包括：

多播用户候选集中的多播用户向单播用户发送混合信号

其中，

为多播用户π_k,i的发射功率，α_k,i为单播用户正确解码其接收到多播用户转发的混合信号所需的功率因数，i＝1,2,...,n，n为系统中用户个数；

根据单播用户正确解码其接收到多播用户转发的混合信号所需的最小功率因数排序，对满足单播用户正确解码其消息所需的最小功率因数之和小于等于1的所有多播用户中最小功率因数最小的多播用户作为中继节点，其中最小功率因数之和表示为：

表达式如下：

6.根据权利要求4或权利要求5所述的任意一项权利要求所述的机会式NOMA协作多播中继选择方法，其特征在于，其中多播用户候选集中多播用户k采用固定功率分配或者采用自适应功率分配。

7.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～5任意一项权利要求所述方法的步骤。

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