CN113965229B - 一种基于群体串行干扰删除的noma上行传输方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，包括以下步骤：用户根据预先设定的最优发射功率，将信号发送至基站；基站接收机接收信号后，根据用户传播距离和基站天线数目，将用户划分为多个群体；基站根据传播距离从小到大依次解调接收信号中各个群体的信号，每个群体信号解调完成后利用群体串行干扰删除技术从接收信号中删除，再解调下一个群体信号，直至所有群体全部解调完成。本发明在保证相同的服务质量条件下，大幅降低通信系统上行的总发射功耗。

Description

一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法
技术领域
本发明涉及一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，属于无线通信中非正交多址接入技术领域。
背景技术
随着终端连接数的快速增长，传统的正交多址接入(OMA)很难满足未来巨连接传输需求，近年来，非正交多址接入(NOMA)被视为是解决未来大规模接入的关键技术，其可支持的并发连接数远大于系统可提供的资源块数目，此外，多天线技术是未来无线通信中必将采用的技术，将多天线与NOMA技术融合可进一步提升系统的频谱效率与并发连接数。
目前广泛采用的多天线与NOMA融合方法为分簇法，即根据信道状态信息将用户分为多簇，每一簇包含近用户与远用户，同一簇用户采用NOMA传输，不同簇用户在基站接收端采用干扰抑制接收机(IR)消除不同簇的干扰。
上述分簇NOMA方法中，需要同簇用户信道高度相关，当同簇用户信道差异较大时，IR接收机很难消除NOMA系统的簇间干扰；此外，由于NOMA系统需采用串行干扰删除(SIC)技术，在实际系统中由非理想SIC导致的错误传播不可避免，分簇NOMA方法的IR接收机无法消除由错误传播导致的用户间干扰，分簇NOMA方法由于存在上述问题，为了达到预定的最低传输速率需求，所需要的瞬时发射功率会增大，导致通信系统上行效率不高。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法。
本发明了提供一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，包括以下步骤：
用户根据预先设定的最优发射功率，将信号发送至基站；
基站接收机接收信号后，根据用户传播距离和基站天线数目，将用户划分为多个群体；
基站根据传播距离从小到大依次解调接收信号中各个群体的信号，每个群体信号解调完成后利用群体串行干扰删除技术从接收信号中删除，再解调下一个群体信号，直至所有群体全部解调完成。
进一步的，所述用户的最优发射功率的预先设定包括以下步骤：
根据用户最低传输速率需求，建立发射功率与基站接收机联合设计优化问题，优化目标为总发射功率最小化；
用发射功率函数表示最优线性接收机，将建立发射功率与基站接收机联合设计优化问题转化为发射功率优化问题，获取最优发射功率。
进一步的，所述用户按照传播距离从小到大分成M个群体，每一个群体中的用户数目应该小于等于基站的天线数目，表示为：
其中，Um为第m个群体内用户数目，AT为基站天线数目。
进一步的，所述发射功率与基站接收机联合设计优化问题表示为：
其中，Em为第m个群体的接收机，wm，u为第m个群体中第u个用户的发射功率，ρm，u为第m个群体中第u个用户的信干噪比，为第m个群体中第u个用户的最低传输速率，Pmax为各个用户的最大发射功率。
进一步的，所述最优线性接收机用发射功率表示为：
其中，为第m个群体的最优线性接收机，qm，u为第m个群体中第u个用户到基站的信道向量，wm，u为第m个群体中第u个用户的发射功率，/>表示以对角元素的对角矩阵，上标H表示矩阵或向量的共轭转置，Zm表示群体间干扰协方差矩阵，σ2为噪声的功率，/>表示AT行AT列的单位矩阵，AT为基站天线数目。
进一步的，所述发射功率优化问题表示为：
其中，wm，u为第m个群体中第u个用户的发射功率，表示将最优接收机/>带入上述信干噪比ρm，u得到的简化的信干噪比表达式，其为一个关于{wm，u}的函数，/>为第m个群体中第u个用户的最低传输速率，Pmax为各个用户的最大发射功率。
进一步的，所述最优发射功率通过双层循环方式迭代获得。
与现有技术相比，本发明根据用户传播距离和基站天线数目，将用户划分为多个群体，基站根据传播距离从小到大依次解调接收信号中各个群体的信号，每个群体信号解调完成后从接收信号中删除后再解调下一个群体信号，不需要复杂的群体划分方案便可实现NOMA系统上行传输，通过群体串行干扰删除技术，可以实现“群体内协同优化、群体间干扰消除”的设计新模式，实现多天线与NOMA技术的高度融合，有效抑制非完美串行干扰删除导致的残余干扰的影响，在满足用户最低传输速率前提下，可以大幅度降低通信系统上行的总发射功耗。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法流程图；
图2是本发明实施例多群体NOMA上行传输系统模型结构图；
图3是不同传输速率需求条件下系统总发射功耗曲线图；
图4是不同误差传播因子条件下系统总发射功耗曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图2所示，本发明考虑一个覆盖半径为RB的小区，基站位于覆盖区域的中心，U个用户均匀地分布在覆盖区域内，基站处部署AT根天线，每个用户部署单根天线，并且将用户分成M个群体，每个群体的用户数目为Um，M个群体的用户采用相同的时频资源同时向基站发送信息。
如图1所示，本发明提供了一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，包括以下步骤：
根据用户的传播距离与基站天线数目，将全体用户分成多个群体。
将用户按照传播距离从小到大分成M个群体，每一个群体中的用户数目应该小于等于基站的天线数目，即
其中，Um为第m个群体内用户数目，AT为基站天线数目。
得到基站接收端总接收信号的数学表达式，为了便于以群体为单位进行设计，将接收信号进一步表示成多个群体之和的形式。
在NOMA模式下，所有用户在相同的时频资源上向基站发送信号，基站处的总接收信号r可以表示为
其中，qm，u为第m个群体中第u个用户到基站的信道向量，wm，u为第m个群体中第u个用户的发射功率，sm，u为第m个群体中第u个用户的发送信号，v为基站处的噪声信号。
为了便于对接收信号以群体为单位进行处理，将总接收信号表示成为多个群体之和的形式，如下：
其中，
这里的表示以/>对角元素的对角矩阵，上标T表示矩阵或向量的转置。
根据NOMA上行解调原则，根据传播距离从小到大次序，依次解调各个群体用户的信号，当一个群体的信号解调完成后，将其从总接收信号中整体删除，并分别得到各个用户的信干噪比表达式。
根据上行NOMA解调原则，以群体为单位，按照传播距离从小到大对各个群体用户信号进行解调，已经解调完成的群体信号从总接收信号中整体删除。由于实际系统非理想串行干扰删除的影响，每一个被删除的群体都会存在残余干扰。第m个群体的解调信号可以表示为
其中，Em为第m个群体的接收机，上标H表示矩阵或向量的共轭转置，im为群体间干扰，其包含来自未解调群体的干扰与已解调群体的残余干扰，im可以进一步表示为
上式中∑j是一个对角矩阵，其每个对角元素表示第j个群体残余干扰的影响，∑j的表示式为其中，∈j，u为第j个群体中第u个用户的残余干扰因子。
进一步的，第m个群体中第u个用户的信干噪比ρm，u可以表示为
其中，|·|表示取模值运算，[Em]：，u为矩阵Em的第u列，[Gm]：，k为矩阵Gm的第k列，σ2为噪声的功率，Zm为第m个群体所遭受的群体间干扰的协方差矩阵，其可以进一步表示为
其中，E{·}为求数学期望运算。
在满足各个用户最低传输速率需求的前提下，建立发射功率与接收机联合设计的优化问题P1，优化目标为系统总发射功率最小化，优化变量为各用户发射功率、基站接收机。
建立优化问题P1，优化变量为用户的发射功率与基站的接收机，优化目标为系统总发射功耗最小化，如下：
其中，为第m个群体中第u个用户的最低传输速率，Pmax为各个用户的最大发射功率，第一个约束条件用于保证各个用户传输速率不小于设定的最小值，第二个约束条件用于限制各个用户的最高发射功率。
将最优线性接收机表示成发射功率的函数，从而简化各个用户信干噪比的表达式，并进一步将S4中优化问题P1转化为单纯的发射功率优化问题P2。
为了最大化各个用户的信干噪比，最小均方误差接收机为最优线性接收机，将最优接收机表示成发射功率的函数，如下：
其中，IAT表示AT行AT列的单位矩阵。将最优接收机代入上述信干噪比ρm，u的表达式，可以得到简化的信干噪比表达式为
从而，进一步将发射功率与接收机的联合优化问题P1转换为单纯的发射功率优化问题P2为
根据优化问题P2的特性，利用矛盾法可得，当优化问题P2取最优值时，优化问题P2中关于最低速率需求的约束条件取等号。
利用矛盾法可以得到优化问题P2取最优值时，问题P2中关于最低速率的约束条件取等号。矛盾法的证明思路为：假设优化问题P2取最优值时第一个约束条件取大于号，此时总可以找到一组总和更小的发射功率，满足优化问题P2的约束条件，这与上诉假设矛盾。因此，当优化问题P2取最优值时，发射功率需满足如下等式：
各个群体用户的最优发射功率通过双层循环方式迭代获得，具体来说，群体之间采用顺序迭代，同一个群体中各个用户采用并行迭代，当一个群体发射功率迭代收敛后，更新下一个群体的群体间干扰协方差矩阵Zm，再迭代设计下一个群体的发射功率，此处第m个群体中第u个用户的发射功率表示为
其中，为第t次外层循环、第n次内层循环的发射功率，t表示外层循环的序号，n表示内层循环的序号，[Gm]：，u与[Gm]：，k分别为矩阵Gm的第u列与第k列。
根据上述功率迭代方式，在第m个群体功率设计过程中，利用第n次内层循环的功率可得到第n+1次循环的功率/>如此往复，直到第m个群体的发射功率收敛。然后，再迭代设计第m+1个群体的发射功率，以此类推，直到所有群体的发射功率全部迭代完成。当所有群体的发射功率更新完成后，即第t次外层循环完成，外层循环跳转为t+1次外层迭代。当系统总发射功率收敛后，停止迭代，得到所有用户的最优发射功率此时，最优接收机/>为：
下面通过蒙特卡罗仿真实验说明本发明提出的低复杂度接收机方法的性能，系统参数如下：小区的覆盖半径RB＝500m，基站的天线数目AT＝4，每个用户的天线数目为1，用户群体数目M＝2，每个群体的用户数目Um＝4，每个用户的最大发射功率Pmax＝30dBm，噪声功率σ2＝-99dBm，信道建模为路径损耗与小尺度衰落的乘积，其中路径损耗指数为3，小尺度衰落服从瑞利衰落。
图3给出了不同最低速率需求下的总发射功耗曲线图，其中误差传播因子∈＝0.01，并分别考虑了两种情况：距离较远群体的速率需求与距离较近群体的相同，即距离较远群体的速率需求为距离较近群体的一半，即/>
可以发现，在不同传输速率需求下，本发明方法的总发射功耗都低于已有的分簇NOMA方法与传统的正交多址接入方法，相比于正交多址接入方法，本发明方法的优势来源于NOMA系统更高的时频资源利用率；相比于分簇NOMA方法，本发明方法的优势在于提出方法采用了群体内协同优化、群体间串行干扰删除技术。
图4给出了不同误差传播因子对总发射功率消耗的影响，距离较近群体的最低速率需求同时考虑了两种情况：距离较远群体的速率需求与距离较近群体的相同，即/>距离较远群体的速率需求为距离较近群体的一半，即可以发现，在不同误差传播因子条件下，本发明方法的总发射功耗都低于已有的分簇NOMA方法与传统的正交多址接入方法。
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 (2)

1.一种基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，其特征在于，包括以下步骤：
用户根据预先设定的最优发射功率，将信号发送至基站：
根据用户最低传输速率需求，建立发射功率与基站接收机联合设计优化问题，优化目标为总发射功率最小化，所述发射功率与基站接收机联合设计优化问题表示为：
（2）
s.t. ，/> （3）
，/> （4）
其中，为第m个群体的接收机，/>为第m个群体中第u个用户的发射功率，/>为第m个群体中第u个用户的信干噪比，/>为第m个群体中第u个用户的最低传输速率，/>为各个用户的最大发射功率，/>为第m个群体内用户数目，M为用户按照传播距离从小到大划分的群体总数，
用发射功率函数表示最优线性接收机，所述最优线性接收机用发射功率表示为：
，/> （5）
（6）
（7）
其中，为第m个群体的最优线性接收机，/>为第m个群体中第u个用户到基站的信道向量，/>为第m个群体中第u个用户的发射功率，/>表示以对角元素的对角矩阵，上标H表示矩阵或向量的共轭转置，/>表示群体间干扰协方差矩阵，/>为噪声的功率，/>表示/>行/>列的单位矩阵，/>为基站天线数目，
将建立发射功率与基站接收机联合设计优化问题转化为发射功率优化问题，通过双层循环方式迭代获取最优发射功率，所述发射功率优化问题表示为：
（8）
s.t. ，/> （9）
，/> （10）
其中，为第m个群体中第u个用户的发射功率，/>表示将最优接收机/>带入上述信干噪比/>得到的简化的信干噪比表达式，其为一个关于/>的函数，/>为第m个群体中第u个用户的最低传输速率，/>为各个用户的最大发射功率；
基站接收机接收信号后，根据用户传播距离和基站天线数目，将用户划分为多个群体；
基站根据传播距离从小到大依次解调接收信号中各个群体的信号，每个群体信号解调完成后利用群体串行干扰删除技术从接收信号中删除，再解调下一个群体信号，直至所有群体全部解调完成。
2.根据权利要求1所述的基于群体串行干扰删除的NOMA上行传输方法，其特征在于，每一个群体中的用户数目应该小于等于基站的天线数目，表示为：
，/> （1）
其中，为第m个群体内用户数目，/>为基站天线数目。
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