CN113993138B - 一种scma网络的无线中继部署方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了SCMA网络的无线中继部署方法，步骤1：建立2跳SCMA网络中继通信模型；步骤2：第一阶段由基站向中继和用户发送数据，第二阶段由接收成功的中继向接收失败的用户发送数据；步骤3：计算用户在两个阶段的平均中断概率Ps；步骤4：通过Ps中含有的中继部署相关的功率分配因子及中继位置因子来求解使得平均中断概率最小化的最优中继部署方法。本方案给出了SCMA网络中的功率分配机制及中继部署机制，可以有效的提高频谱效率，降低用户平均中断概率，根据概率函数求解计算得到了用户的平均中断概率，因此不需要实时的根据信道增益进行计算，具有更低的复杂度，易于部署。

Description

一种SCMA网络的无线中继部署方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，其具体为一种SCMA网络的无线中继部署 方法。
背景技术
稀疏码多址接入(sparse code multiple access，SCMA)是一种码域的 非正交多址接入技术，最早在2013年提出于Nikopour,H.；Baligh,H.Sparse Code MultipleAccess.In Proceedings of the 2013IEEE 24th Annual International Symposium onPersonal,Indoor,and Mobile Radio Communications(PIMRC),London,UK,8–11September 2013,pp.332–336. 中。相比于正交多址接入(orthogonal multipleaccess,OMA)，SCMA可以 有效的提用户连接数量，缓解无线资源短缺的问题。在城市环境中，由于复 杂的信道环境很难满足未来高可靠通信的需求，而引入无线中继能够利用分集增益提高链路鲁棒性及小区覆盖能力，降低中断概率。可以看出，SCMA和 无线中继都是提升链路利用率的有效技术，因此研究基于SCMA网络的无线中 继部署方案可以结合两者的优势，满足未来大规模链接的高可靠通信需求。
现今对SCMA网络的研究主要集中在码本设计、性能分析及检测算法方面， 而设计具体如何部署中继方面的相关研究文献很少。经检索发现，在文献Y. Zhang,X.Wang,D.Wang,Y.Lan and Y.Zhang,"Outage Performance of Relay Sparse Code MultipleAccess Networks,"2019IEEE Wireless Communications and Networking Conference(WCNC),2019,pp.1-6中， 作者推导了SCMA网络中应用中继后的平均中断概率，通过数学分析证明了中 继对SCMA网络性能的提升。然而，该文献只是分析了中断性能且假设中继固定，且并没有针对中继部署做出优化。因此，在现有的SCMA相关研究中，几 乎很少有涉及如何进行有效的中继部署，而正交多址接入的中继部署方案又 难以应用至SCMA网络中。
综上所述，现有的OMA中继网络中，用户之间的资源是正交的，同一时 频资源只能为一个用户服务，频谱效率较低。而SCMA中继网络中，用户之间 通过不同的码本实现码域非正交，可有效的提升频谱利用率。因此，研究基 于SCMA的中继部署方案对降低系统中断概率，提升链路可靠性具有现实意义。
发明内容
(一)解决的技术问题
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于SCMA网络的无线 中继部署方法，以解决未来无线网络部署时的中继位置及功率分配方案。
(二)技术方案
为实现以上目的，本发明通过以下技术方案予以实现：
一种SCMA网络的无线中继部署方法，所述部署方法如下：
步骤1：建立2跳中继通信模型，基站在圆形小区的中心，Ns个中继和 基站的距离相等且假设为rn，任意中继n的位置表示为(rn,(n-1)2π/Ns)，SCMA 码本中非零码字的数量为L，码本碰撞个数为ζ；
步骤2：第一阶段基站以多播的方式向所有中继节点和用户发送信息，并 计算解调结果，如果用户接收成功，则省略第二阶段发送；如果用户解调失 败且有中继解调成功，则由所有成功的中继转发至用户，用户通过最大比合 并接收信息，如果所有中继和用户都解调失败，由基站重新发送消息给用户；
步骤3：计算用户在第一阶段的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000021
第一阶段中继的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000022
第二阶段当所有中继都解调失败时候的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000031
及有中继解调成功时候的中断概率：
Figure BDA0003355786760000032
进一步可以计算出用户的两阶段总平均中断概率为
Figure BDA0003355786760000033
其中，Ts为中断门槛，
Figure BDA0003355786760000034
Figure BDA0003355786760000035
Figure BDA0003355786760000036
Figure BDA0003355786760000037
分别对应传输阶段由信道增益决定的伽马随机变量,
Figure BDA0003355786760000038
是对应阶 段的发送功率，N为解调成功的中继集合，R为小区半径，ru为用户u到基 站的距离,f(ru,θu)为用户u在小区内的坐标系的概率密度函数，f(ru)为用户和 基站距离的概率密度函数；
步骤4：通过Ps中含有的中继部署相关的功率分配因子α＝Ps1ξ/(2P)及位 置因子μ＝rn/R来求解使得平均中断概率最小化的最优中继部署方法；
首先对平均中断概率Ps进行近似化计算，以减少计算复杂度，可得到用 户两阶段总平均中断概率近似为：
Figure RE-GDA0003444699950000041
构建最优中继部署方案的函数为
Figure BDA00033557867600000310
优化变量为功率分配因子α及中 继位置因子μ，由该等式可以看出功率分配因子和中继位置对系统中断概率的 影响是相互独立的，因此我们可以分别进行求解；
其次，求解最优功率分配因子α，通过对
Figure BDA0003355786760000041
的A部分进行计算可得到当
Figure BDA0003355786760000042
成立时为最优功率分配因子，可得α≈0.5
最后，将B部分进行转换可以得到
Figure BDA0003355786760000043
可以看出其受中继位置及中继总数的影响且无法得到解析求解，对此我 们通过蒙特卡罗进行数值求解即可得到给定中继数量时的最优中继位置。
(三)有益效果
1、本方案给出了SCMA网络中的功率分配机制及中继部署机制，可以有 效的提高频谱效率，降低用户平均中断概率。
2、本方案中根据概率函数求解计算得到了用户的平均中断概率，因此不 需要实时的根据信道增益进行计算，具有更低的复杂度，易于部署。
3、本方案的中继部署方法涉及的功率分配、中继位置、及中继数量具有 较为广泛的适用性，可以用于初期网络部署的规划指导。
附图说明
图1为本发明部署关系结构示意图；
图2为本发明部署方法流程示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-2，本发明实施例提供一种技术方案：
一种SCMA网络的无线中继部署方法，所述部署方法如下
步骤1，构建圆形坐标系，基站在坐标系的原点，Ns个中继和基站的距 离相等且假设为rn，那么任意中继n的位置表示为(rn,(n-1)2π/Ns)，用户随机分 布在以原点为中心半径为R的圆形区域内，SCMA码本中非零码字的数量为L， 码本碰撞个数为ζ；
步骤2，第一阶段基站以多播的方式向所有中继节点和用户发送信息，并 计算解调结果，如果用户接收成功，则省略第二阶段发送，如果用户解调失 败且有中继解调成功，则由所有成功的中继转发至用户，用户通过最大比合 并接收信息，如果所有中继和用户都解调失败，由基站重新发送消息给用户；
步骤3，计算用户在第一阶段的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000051
第一阶段中继的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000052
第二阶段当所有中继都解调失败时候的平均中断概率：
Figure BDA0003355786760000053
及有中继解调成功时候的中断概率：
Figure BDA0003355786760000054
进一步可以计算出用户的两阶段总平均中断概率为
Figure BDA0003355786760000055
其中，Ts为中断门槛，
Figure BDA0003355786760000061
Figure BDA0003355786760000062
Figure BDA0003355786760000063
Figure BDA0003355786760000064
分别对应传输阶段由信道增益决定的伽马随机变量,
Figure BDA0003355786760000065
是对应阶 段的发送功率，N为解调成功的中继集合，ru为用户u到基站的距离,f(ru,θu) 为用户u在小区内的坐标系的概率密度函数，f(ru)为用户和基站距离的概率密 度函数；
步骤4，通过Ps中含有的中继部署相关的功率分配因子α＝Ps1ξ/(2P)及位 置因子μ＝rn/R来求解使得平均中断概率最小化的最优中继部署方法；
首先对平均中断概率Ps进行近似化计算，以减少计算复杂度。可以得到 用户两阶段总平均中断概率近似为：
Figure RE-GDA0003444699950000069
构建最优中继部署方案的函数为
Figure BDA0003355786760000067
优化变量为功率分配因子α及中 继位置因子μ，由该等式可以看出功率分配因子和中继位置对系统中断概率的 影响是相互独立的，因此我们可以分别进行求解；
其次，求解最优功率分配因子α，通过对
Figure BDA0003355786760000068
的A部分进行计算可得到当
Figure BDA0003355786760000069
成立时为最优功率分配因子，可得α≈0.5
最后，将B部分进行转换可以得到
Figure BDA00033557867600000610
可以看出其受中继位置及中继总数的影响且无法得到解析求解，对此我 们通过蒙特卡罗进行数值求解即可得到给定中继数量时的最优中继位置。
综上所述，本方案给出了SCMA网络中的功率分配机制及中继部署机制， 可以有效的提高频谱效率，降低用户平均中断概率；本方案中根据概率函数 求解计算得到了用户的平均中断概率，因此不需要实时的根据信道增益进行 计算，具有更低的复杂度，易于部署；本方案的中继部署方法涉及的功率分 配、中继位置、及中继数量具有较为广泛的适用性，可以用于初期网络部署 的规划指导。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于 本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在 不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发 明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限 制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落 在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将 权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实 施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起 见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也 可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (1)

1.一种SCMA网络的无线中继部署方法，所述部署方法如下：
步骤1：建立2跳中继通信模型，基站在圆形小区的中心，Ns个中继和基站的距离相等且假设为rn，任意中继n的位置表示为(rn,(n-1)2π/Ns)，SCMA码本中非零码字的数量为L，码本碰撞个数为ζ；
步骤2：第一阶段基站以多播的方式向所有中继节点和用户发送信息，并计算解调结果，如果用户接收成功，则省略第二阶段发送；如果用户解调失败且有中继解调成功，则第二阶段由所有成功的中继转发至用户，用户通过最大比合并接收信息，如果所有中继和用户都解调失败，由基站在第二阶段重新发送消息给用户；
步骤3：计算用户在第一阶段的平均中断概率：
Figure RE-FDA0003444699940000011
第一阶段中继的平均中断概率：
Figure RE-FDA0003444699940000012
第二阶段当所有中继都解调失败时候的平均中断概率：
Figure RE-FDA0003444699940000013
及有中继解调成功时候的中断概率：
Figure RE-FDA0003444699940000014
进一步可以计算出用户的两阶段总平均中断概率为
Figure RE-FDA0003444699940000015
其中，Ts为中断门槛，
Figure RE-FDA0003444699940000021
Figure RE-FDA0003444699940000022
Figure RE-FDA0003444699940000023
Figure RE-FDA0003444699940000024
分别对应传输阶段由信道增益决定的伽马随机变量,Ps1
Figure RE-FDA0003444699940000025
是对应阶段的发送功率，N为解调成功的中继集合，R为小区半径，ru为用户u到基站的距离,f(ru,θu)为用户u在小区内的坐标系的概率密度函数，f(ru)为用户和基站距离的概率密度函数；
步骤4：通过Ps中含有的中继部署相关的功率分配因子α＝Ps1ξ/(2P)及位置因子μ＝rn/R来求解使得平均中断概率最小化的最优中继部署方法；
首先对平均中断概率Ps进行近似化计算，以减少计算复杂度，可得到用户两阶段总平均中断概率近似为：
Figure RE-FDA0003444699940000026
构建最优中继部署方案的函数为
Figure RE-FDA0003444699940000027
优化变量为功率分配因子α及中继位置因子μ，由该等式可以看出功率分配因子和中继位置对系统中断概率的影响是相互独立的，因此我们可以分别进行求解；
其次，求解最优功率分配因子α，通过对
Figure RE-FDA0003444699940000028
的A部分进行计算可得到当
Figure RE-FDA0003444699940000029
成立时为最优功率分配因子，可得α≈0.5
最后，将B部分进行转换可以得到
Figure RE-FDA00034446999400000210
可以看出其受中继位置及中继总数的影响且无法得到解析求解，对此我们通过蒙特卡罗进行数值求解即可得到给定中继数量时的最优中继位置。
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