CN113329418A - 基于大规模mimo-noma系统的用户分簇方法、系统及介质 - Google Patents

基于大规模mimo-noma系统的用户分簇方法、系统及介质 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于大规模MIMO‑NOMA系统的用户分簇方法、系统及介质，包括以下几个步骤：步骤1：根据所选信道模型确定信道矩阵H，计算用户的信道增益并进行排序；步骤2：通过计算用户的信道相干度来确定边界用户以及确认初始簇头；步骤3：计算簇头集合与候选用户集合之间的信道相干度，并设立阈值选出所有簇头，确定簇头集合Γ；步骤4：计算剩余用户与簇头集合之间的信道相干度以及信道差异，设立信道相干度阈值δ2，最终确定用户分组情况。本发明所提出的用户分簇算法，不仅有利于消除簇间干扰，增加了多路复用增益，并在相同情况下较之传统的OMA结构拥有更好的频效性能。

Description

基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇方法、系统及介质
技术领域
本发明属于5G毫米波大规模MIMO-NOMA通信系统领域，尤其涉及一种基于大规模MIMO-NOMA的用户分簇方法、系统及介质。
背景技术
在第五代移动通信系统中，毫米波大规模MIMO-NOMA(Multiple Input MultipleOutput-Nonorthogonal multiple access，多输入多输出)技术成为了新兴研究领域。其中毫米波频段有着丰富的频谱资源，但由于其波长较短会带来的传播路径损耗严重的问题，而大规模MIMO技术通过增加阵列增益能够显著克服毫米波传输衰落严重的问题；大规模MIMO技术利用毫米波技术减少天线之间的距离从而缩小天线阵列尺寸，能够增大系统容量，两种技术联合使用互为补充。MIMO技术通常在下行链路采用SDMA(Space DivisionMultiple Access，空分多址接入)技术，通过阵列天线利用不同用户之间的空间特征来传递方向波束，从而在同一频率范围内实现多路用户信号的无干扰传输。但是当用户之间的空间特征相关度较高时以及无线信道的随机性，SDMA无法对他们进行有效区分从而会造成巨大干扰。另外，在MIMO下行链路中，基站所同时发送的独立数据流个数不能超过发射天线数量，无法满足5G所提出的巨大通信需求，因此基站只能选择一部分用户进行通信。
鉴于SDMA的局限性，以及为了提高系统接纳用户的能力，将NOMA(Nonorthogonal-Multiple Access，非正交多址接入)技术引入MIMO通信系统，NOMA相对比于传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术，通过对用户分配不同的发射功率，能够在功率域实现不同用户信号的区分，并采用串行干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)技术对距离基站近的用户信号进行恢复，从而实现空域、时域和频域的非正交数据传输，能够显著改善系统频谱效率和成倍提升系统可支持的并发用户数，有望成为6G的关键技术。NOMA通常根据用户的信道状态条件，为信道条件较差的用户分配更多的功率，从而利用用户间信道差异获得性能增益。而大规模MIMO技术可以在不增加频谱带宽和天线发送功率的情况下，提供分集增益与空间复用增益来成倍地提高数据传输速率，因此大规模MIMO与NOMA相结合，即大规模MIMO-NOMA，充分利用大规模MIMO的大阵列增益以及NOMA共享资源的优势，提升通信系统的能量效率以及频谱利用率。
在大规模MIMO-NOMA系统中，由于用户之间ISI(inter stream interference，流间干扰)和MUI(multiuser interference，多用户干扰)相比于传统MIMO系统更加严重，因此发送端先要借助用户分簇算法，对系统用户进行分簇和选择，再由发送端执行预编码操作来降低簇间干扰，以提高系统频谱效率。在大规模MIMO-NOMA系统中，对用户进行合理配对与功率分配以及二者的结合可以有效提高系统吞吐量减小用户信号之间的相互干扰，提高系统和速率。但是目前已有的方法大部分是基于信道相干性的算法来对用户进行分簇以及选择或者是考虑信道差异使得串行干扰消除的性能达到最大化或者是未考虑用户信道增益的，其频效性能均不够理想。
发明内容
本发明提出了一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇方法、系统及介质，通过引入自适应的信道相干性阈值和信道差异阈值来对用户进行分簇以及选择，其目的在于提高采用该设计方法的毫米波大规模MIMO-NOMA系统的频谱效率以及降低用户的簇间干扰。
本发明提供的技术方案如下：
一方面，一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇方法，包括：
步骤1：用户信道增益计算与排序；
步骤2：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；
步骤3：选取第一簇头和候选用户，设定第一信道相干度阈值；
基于用户之间信道相干度，选取最小信道相干度的用户对中信道增益较大的用户作为第一簇头，并存入簇头集合中，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合中；
步骤4：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，若簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同，进入步骤5，否则，重复步骤4；
步骤5：构建非簇头用户集合，设定第二信道相干度阈值；
步骤6：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
为降低簇间干扰，提升系统性能，本发明提出的方法同时考虑到了用户信道差异，信道相关性以及信道增益，提出了一种新的用户分簇算法，先计算用户的信道增益与排序，再将用户按照信道增益进行分组，然后基于信道相干度引入第一信道相干度阈值来选出各个簇的簇头，之后基于信道相干度以及信道差异并引入第二信道相干度阈值来对剩余用户进行分簇。所提出的算法克服了上述问题，提升了系统频效，仿真结果显示系统频效性能优于在MIMO-NOMA系统下采用随机用户分组方案以及传统的MIMO-OMA方案。
进一步地，所述步骤4中选取簇头的过程如下：
判断是否存在满足以下条件1的候选用户，若存在，将满足条件1的候选用户作为簇头，存入簇头集合，并更新候选用户集合；若不存在，调整第一信道相干度阈值，重复步骤4；
条件1：候选用户集合中各用户与簇头集合中各簇头之间的信道相干度小于第一信道相干度阈值。
通过选出信道相干度小于阈值的用户作为代表，避免遍历所有用户相互配对的情况，降低了计算的复杂度，且不同波束内的用户信道相干度足够小，有利于波束间干扰消除。
进一步地，所述调整第一信道相干度阈值按照以下公式调整：δ1′＝δ1+(1-δ1)/10；
其中，δ1和δ1′分别表示调整前和调整后的第一信道相干度阈值。
进一步地，所述对非簇头用户进行分簇的具体过程如下：
判断是否存在满足条件2的用户对，若存在，则将满足条件2的用户对中的非簇头用户划分到该用户对中的簇头所在簇中，若不存在，调整第二信道相干度阈值，重复步骤6，直到所有非簇头用户分簇完毕；
条件2：从非簇头用户集合和簇头集合中任选一非簇头用户与簇头形成用户对，所形成的用户对的信道相干度大于第二信道相干度阈值。
进一步地，满足条件2且属于同一簇头的用户对，属于同一簇头存在重复的簇头，计算各非簇头用户与簇头的信道差异，选择信道差异最小的用户填入对应簇内。
将满足信道相干度大于阈值δ2的用户分配到某一组内，并且其信道差异最小，最后使得同一波束内的用户信道相干度足够高，提升空间复用增益，且提升了SIC性能；
进一步地，所述调整第二信道相干度阈值按照以下公式调整：δ2′＝δ2+(1-δ2)/10；
其中，δ2和δ2′分别表示调整前和调整后的第二信道相干度阈值。
进一步地，基于角度扩展的Saleh-Valenzuela信道模型，随机生成用户的信道样本H，计算用户的信道增益||hk||2，并对用户按照信道增益进行降序排列。
进一步地，将排序后的用户进行四等分，均分为高信道增益的小区中心用户组和低信道增益的小区边缘用户组。
另一方面，一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇系统，包括：
用户信道增益计算与排序单元，通过对各用户的信道增益进行计算，并基于信道增益对用户进行排序；
用户分组单元：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；
第一簇头确定单元：基于用户之间信道相干度，选取最小信道相干度的用户对中信道增益较大的用户作为第一簇头，并存入簇头集合中，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合中；
簇头集合更新单元：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，重复调用簇头集合更新单元，直到簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同；
非簇头用户集合构建单元，将簇头从所有用户中剔除，以剩余用户构建非簇头用户集合；
分簇单元：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
再一方面，一种计算机存储介质，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤。
有益效果
本发明提供了一种大规模MIMO-NOMA的用户分簇方法、系统及介质，该方法主要包括以下几个步骤：步骤1：根据用户信道来计算用户信道增益并排序；步骤2：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；步骤3：选取第一簇头和候选用户，设定第一信道相干度阈值；步骤4：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，若簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同，进入步骤5，否则，重复步骤4；步骤5：构建非簇头用户集合，设定第二信道相干度阈值；步骤6：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
本发明提出的方法通过引入信道相干度阈值δ1，δ2，使得同一簇内的用户具有强信道相干度，不同簇内的用户的信道相干度低，有利于消除簇间干扰，增加空间复用，在保证了信道相干度的基础上最大化了信道差异有利于提升SIC性能。仿真显示本发明在相同信噪比情况下，所提出的用户分簇算法都优于在MIMO-NOMA系统下采用随机用户分组方案以及传统的MIMO-OMA方案，尤其是在高信噪比情况下采用所提出的用户分簇算法的频谱效率获得了极大提升。
附图说明
图1为毫米波大规模MIMO-NOMA混合预编码系统框图；
图2为本发明提供的毫米波大规模MIMO-NOMA的用户分簇设计方法流程图；
图3为本发明提供的毫米波大规模MIMO-NOMA的用户的簇头设计方法流程图；
图4为本发明提供的基于毫米波大规模MIMO-NOMA的用户分簇设计方法与基于毫米波大规模MIMO-OMA的用户分簇、采用随机用户分组的MIMO-NOMA的频谱效率(SpectralEfficiency)关于信噪比(SNR)变化的仿真曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。
在本实例中仿真采用的通信系统为毫米波大规模MIMO-NOMA混合预编码系统，初始参数包括：发射天线数Nt为64，接收天线数Nr为1，射频链路数Nt RF为4，用户数K为8，每个用户的路径数L为3，总功率为30，第一、第二信道相干度阈值δ1，δ2，分别为0.2，0.8，信道相干度阈值如果太过宽松会使得虽然用户对之间的信道增益虽然足够大，但是信道相干度会不让人满意，如果信道相干度阈值十分严苛，那么就很有可能会出现信道相干度满足要求，但是其信道增益并不是最优的。
为了方便仿真，假设每个簇功率相等，且其中相应的径的离开角和到达角都相同，为了突出用户分组的性能，采用同样的混合预编码方案，同样的FPA系数以保证公平性，每次仿真信道样本数k为1000，系统框图如图1所示。
一种基于大规模MIMO-NOMA的用户分簇方法流程图如图2所示，包括以下步骤：
步骤1：根据基于角度扩展的Saleh-Valenzuela信道模型，随机生成用户的信道样本H，并计算出用户的信道增益||hk||2，并且按照信道增益降序排列方便以后的簇头选取。
步骤2：将排序后的用户按照信道增益排列顺序进行四等分，分为高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集。
步骤3：计算高信道增益用户组中用户与低信道增益用户组中用户的信道相干度，从中选择信道相干度最小的用户对，确定边界用户对。
步骤4：从边界用户对选择信道增益最大的用户作为第一个簇头，存入簇头集合Γ中，从高信道增益用户组中去掉该用户，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合Ω之中，设定第一信道相干度阈值δ1，初始值设置为0.2，其中，步骤4-8为簇头选择算法，具体算法流程框图如图3所示。
步骤5：计算候选用户集合Ω中的各候选用户与簇头集合Γ中的各簇头的用户对的信道相干度
Figure BDA0003031077720000061
基于第一信道相干度阈值，判断是否存在小于第一信道相干度阈值的用户对；
步骤6：若存在，将满足条件的用户对中的候选用户作为簇头，存入簇头集合，从高信道增益用户组中移除该用户，将剩余其他用户作为候选用户集合Ω。若不存在满足条件的用户，将候选用户集合Ω置为空集。
步骤7：判断候选用户集合Ω是否为空集，若为空集，则调整第一信道相干度阈值，按照公式δ1′＝δ1+(1-δ1)/10进行调整，其中，δ1和δ1′分别表示调整前和调整后的第一信道相干度阈值。将高信道增益用户存入新的候选用户集合Ω，若不为空集则进入步骤8。
步骤8：重复步骤5-7，直至选出所有簇头，簇头集合中簇头数量等于射频链路数量，进入步骤9。
步骤9：将非簇头用户归入非簇头用户集合Δ，设定第二信道相干度阈值δ2，设置初始值为0.8。
步骤10：计算非簇头用户集合Δ中的用户与各簇头之间的信道相干度，基于第二信道相干度阈值δ2，判断是否存在大于阈值δ2的用户对。
步骤11：若不存在满足条件的用户对，调整阈值δ2，按照公式δ2′＝δ2+(1-δ2)/10进行调整，其中δ2和δ2′分别表示调整前和调整后的第二信道相干度阈值。若存在满足条件的用户对，那么直接将满足条件的用户对中的非簇头用户划分到该用户对中的簇头所在簇中，若存在多个满足条件的用户且属于同一簇头的用户对，计算各非簇头用户与簇头的信道差异，即
Figure BDA0003031077720000071
选择信道差异最小的用户填入对应簇内。重复步骤9-11，直至剩余用户集合Δ为空。
图4为本发明提供的基于毫米波大规模MIMO-NOMA的用户分簇方法与基于毫米波大规模MIMO-OMA的用户分簇、采用随机用户分组的MIMO-NOMA的频谱效率(SpectralEfficiency)关于信噪比(SNR)变化的仿真曲线对比图。从图4可以看出，在相同信噪比的情况下，随着信噪比的增大，频谱效率都在提升，当信噪比位于[-20,-5]区间时，本发明实例所采用的方法并没有明显优势，但是当信噪比处于[-5,20]的区间时，本发明实例所采用的方法开始明显优于传统的大规模MIMO-OMA结构以及大规模MIMO-NOMA系统下的随机用户分组方案，说明随着信噪比提高，用户分组的结果会影响系统的频谱效率，而本发明实例所采用的方法能够极大的提升系统的频谱效率。
从本文中所描述的具体实例可以看出，本发明实例所采用的方法通过引入信道相干度阈值δ1，δ2，使得同一簇内的用户具有强信道相干度，不同簇内的用户的信道相干度极低，有利于消除簇间干扰，增加空间复用，在保证了信道相干度的基础上同时最大化了信道差异有利于提升SIC性能，进一步提高了毫米波大规模MIMO-NOMA系统的频谱效率。
基于上述方法，本发明实施例还提供一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇系统，包括：
用户信道增益计算与排序单元，通过对各用户的信道增益进行计算，并基于信道增益对用户进行排序；
用户分组单元：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；
第一簇头确定单元：基于用户之间信道相干度，选取最小信道相干度的用户对中信道增益较大的用户作为第一簇头，并存入簇头集合中，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合中；
簇头集合更新单元：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，重复调用簇头集合更新单元，直到簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同；
非簇头用户集合构建单元，将簇头从所有用户中剔除，以剩余用户构建非簇头用户集合；
分簇单元：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
应当理解，本发明各个实施例中的功能单元模块可以集中在一个处理单元中，也可以是各个单元模块单独物理存在，也可以是两个或两个以上的单元模块集成在一个单元模块中，可以采用硬件或软件的形式来实现。
本发明实施例还提供一种计算机存储介质，包括计算机程序，该计算机程序被处理器执行时实现上述方法的步骤，其有益效果参见方法部分的有益效果，在此不再赘述。
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。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇方法，其特征在于，包括：
步骤1：用户信道增益计算与排序；
步骤2：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；
步骤3：选取第一簇头和候选用户，设定第一信道相干度阈值；
基于用户之间信道相干度，选取最小信道相干度的用户对中信道增益较大的用户作为第一簇头，并存入簇头集合中，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合中；
步骤4：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，若簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同，进入步骤5，否则，重复步骤4；
步骤5：构建非簇头用户集合，设定第二信道相干度阈值；
步骤6：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤4中选取簇头的过程如下：
判断是否存在满足以下条件1的候选用户，若存在，将满足条件1的候选用户作为簇头，存入簇头集合，并更新候选用户集合；若不存在，调整第一信道相干度阈值，重复步骤4；
条件1：候选用户集合中各用户与簇头集合中各簇头之间的信道相干度小于第一信道相干度阈值。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述调整第一信道相干度阈值按照以下公式调整：δ1′＝δ1+(1-δ1)/10；
其中，δ1和δ1′分别表示调整前和调整后的第一信道相干度阈值。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述对非簇头用户进行分簇的具体过程如下：
判断是否存在满足条件2的用户对，若存在，则将满足条件2的用户对中的非簇头用户划分到该用户对中的簇头所在簇中，若不存在，调整第二信道相干度阈值，重复步骤6，直到所有非簇头用户分簇完毕；
条件2：从非簇头用户集合和簇头集合中任选一非簇头用户与簇头形成用户对，所形成的用户对的信道相干度大于第二信道相干度阈值。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，满足条件2且属于同一簇头的用户对，属于同一簇头存在重复的簇头，计算各非簇头用户与簇头的信道差异，选择信道差异最小的用户填入对应簇内。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述调整第二信道相干度阈值按照以下公式调整：δ2′＝δ2+(1-δ2)/10；
其中，δ2和δ2′分别表示调整前和调整后的第二信道相干度阈值。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基于角度扩展的Saleh-Valenzuela信道模型，随机生成用户的信道样本H，计算用户的信道增益||hk||2，并对用户按照信道增益进行降序排列。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将排序后的用户进行四等分，均分为高信道增益的小区中心用户组和低信道增益的小区边缘用户组。
9.一种基于大规模MIMO-NOMA系统的用户分簇系统，其特征在于，包括：
用户信道增益计算与排序单元，通过对各用户的信道增益进行计算，并基于信道增益对用户进行排序；
用户分组单元：将排序后的用户划分高信道增益用户组和低信道增益用户组，设置簇头集合和候选用户集合，均置为空集；
第一簇头确定单元：基于用户之间信道相干度，选取最小信道相干度的用户对中信道增益较大的用户作为第一簇头，并存入簇头集合中，将去除簇头后的高信道增益用户组中的用户存入候选用户集合中；
簇头集合更新单元：根据候选用户集合与簇头集合之间用户对的信道相干度，并基于第一信道相干度阈值，选取簇头，更新簇头集合，重复调用簇头集合更新单元，直到簇头集合中簇头数量与射频链路数量相同；
非簇头用户集合构建单元，将簇头从所有用户中剔除，以剩余用户构建非簇头用户集合；
分簇单元：根据非簇头用户集合中的用户与各簇头之间的信道相干度，并基于第二相干度阈值，对非簇头用户进行分簇。
10.一种计算机存储介质，包括计算机程序，其特征在于，该计算机程序被处理器执行时实现权利要求1-8任一项所述方法的步骤。
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