CN114423071B - 一种收发端联合优化的noma系统功率分配方法及存储介质 - Google Patents

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Abstract

一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法及存储介质，属于移动通信与无线网络技术领域。为了解决传统功率分配算法分配功率值相近造成误码率性能差以及残留干扰引起的性能损失问题。本发明所述方法首先利用基站获取用户的信道状态信息，然后根据非完美SIC残留误差的情况下的优化目标，在发送端对用户分配功率，得到用户被分配的功率当时，不改变两用户的功率，否则对两用户的功率进行调整。本发明适用于NOMA系统的功率分配。

Description

一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法及存储介质
技术领域
本发明涉及一种NOMA系统功率分配方法及存储介质，属于移动通信与无线网络技术领域。
背景技术
在未来物联网以及大规模机器通信背景下，下一代移动通信必须支持高频率和超大规模连接。非正交多址接入技术(NOMA)已经成为解决上述问题的关键技术之一。在发送端先对用户分组，然后给用户分配不同的功率，最后将用户信息叠加在同一个时频资源块上进行传输。同一个时频资源块上的用户通过功率域进行区分，用户叠加在一起会产生非正交干扰。因此，需要设计功率分配算法抑制非正交干扰，使得系统和速率最大。同时，在接收端采用串行干扰消除技术(SIC)进行联合解码，接收端首先检测远用户信号，然后从接收信号中减去远用户信号进而检测近用户信号，以此类推，直至完成所有用户的信号解码。在串行干扰消除中，各用户间功率差异越大越利于解码。
然而传统的功率分配算法以和速率最大化为目标，为同一资源块上用户分配的功率可能比较接近，使得接收端解码时得到的误码率较大，而且传统的功率分配算法还会存在因为残留干扰引起的性能损失问题。
发明内容
本发明的目的是为了解决传统功率分配算法分配功率值相近造成误码率性能差以及残留干扰引起的性能损失问题，提出了一种收发端联合优化的下行链路NOMA系统功率分配方法。
一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，包括以下步骤：
基站获取用户的信道状态信息，所述信道状态信息包括用户1和用户2对应的信道增益h1、h2；
根据优化目标，在发送端对用户分配功率，得到用户被分配的功率然后对用户功率/>和/>进行功率调整；
所述的优化目标为非完美SIC残留误差的情况下的优化目标，具体如下：
C1:p1+p2＝Pmax
C2:0＜p1＜p2
其中，表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的速率；/>表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的信干噪比；/>表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰；p1,p2分别表示用户1和用户2的功率，约束条件C1表示两用户的功率和为基站发射的总功率Pmax；C2表示用户1是近用户，由于信道条件好，分配较低的发射功率，用户2为远用户，信道条件较差，分配较多的发射功率；C3中的/>表示非完美SIC残留误差的情况下的最低的数据速率，约束条件C3表示每个用户的数据速率应该满足用户的最低的数据速率；/>表示信道噪声功率。
进一步地，对用户功率和/>进行功率调整的过程包括以下步骤：
基于同信道上的两个用户的功率比阈值范围ε＝{ε1,ε2}进行功率调整：
当时，不改变两用户的功率，即/>
当时，设置两用户的功率比值为ε1，然后重新计算得到两用户的功率分别为/>
当时，设置两用户的功率比值为ε2，然后重新计算得到两用户的功率分别为/>
进一步地，所述方法还包括根据用户功率p1,p2对用户的编码调制信息进行叠加并发送的步骤，具体包括以下步骤：
在发送端，对用户的信息进行BPSK调制得到调制信号x1(t)和x2(t)；
根据用户分配到的功率p1,p2，将所有用户叠加在一起，得到叠加信号最后将叠加信号s(t)经过无线信道传输到接收端。
进一步地，接收端得到接收信号ri(t)＝his(t)+ni,i＝1,2，ni表示加性高斯白噪声。
进一步地，所述方法还包括在接收端进行SIC操作来消除非正交干扰的步骤，具体包括以下步骤：
601、接收端接收机首先检测信道质量差的用户2的信息，得到用户2的估计信号然后根据/>对用户2的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
602、从接收信号r1(t)中减去用户2的估计信号信息得到
603、将作为输入，得到用户1的估计信号/>然后根据/>对用户1的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
604、在对远用户2进行SIC时，受到比它信道条件好的近用户1的干扰，此时产生的信干噪比为
解码远用户2的信号时会受到各种环境的影响，导致没有完全正确的解码出来信号，存在残留干扰，这种残留干扰会降低系统性能，此时用户1的信干噪比表示为
其中，表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰。
进一步地，解码信道条件差的远用户2的残留干扰如下：
其中，是远用户2的实际值x2(t)和估计值/>的误差。
一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法。
有益效果：
本发明将接收端串行干扰消除对功率差异的要求作为功率分配的约束条件，提出一种收发两端联合优化的功率分配方法。所提方法通过给用户功率比设置一个较大的阈值，并在功率分配的整个过程中，始终让两个用户的功率差保持在一定的阈值范围内，保证即使在高信噪比条件下，两用户功率仍然相差很大，因此易于执行SIC操作，减小解码过程中产生的SIC残留干扰，提高了性能，降低系统的误码率。图4给出了本发明对比传统的功率值接近算法的误码率曲线图，从图中可以看出本发明可有效降低系统的误码率。但需要指出的是，由于本发明对以优化目标为基础获得的最优功率进行了调整，会使得系统和速率有所下降。
附图说明
图1为一个基站和两个用户的下行链路NOMA系统图；
图2为一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配结构图；
图3为SIC算法流程图；
图4为对比功率值相近算法的误码率曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：结合图1、图2说明本实施方式，
本实施方式所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，包括以下步骤：
S1、基站获取用户的信道状态信息，所述信道状态信息包括用户1和用户2对应的信道增益h1、h2；
S2、通常SIC检测接收机会存在差错传播现象，使得对干扰信号的检测出现错误，而且对干扰信号的重构还有较大的偏差，因此干扰信号的消除就会不彻底，存在干扰信号的残留余量。本发明考虑非完美SIC残留误差的情况下设计出的优化目标为：
C1:p1+p2＝Pmax
C2:0＜p1＜p2
其中，表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的速率；/>表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的信干噪比；/>表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰；p1,p2分别表示用户1和用户2的功率，约束条件C1表示两用户的功率和为基站发射的总功率，等于基站发射的总功率Pmax；C2表示用户1是近用户，由于信道条件好，分配较低的发射功率，用户2为远用户，信道条件较差，分配较多的发射功率；C3中的/>表示非完美SIC残留误差的情况下的最低的数据速率，约束条件C3表示每个用户的数据速率应该满足用户的最低的数据速率；δi表示信道噪声功率。
在分配功率的时候，以系统和速率为优化目标，可以给用户分配到最优的功率使系统和速率最大。在分配功率之后，随着迭代次数的增加，系统和速率逐渐收敛到最大，当收敛到最大的时候，就可以得到用户分配到的最优的功率。所以以和速率为优化目标可以得到最优的功率分配方案。
S3、根据优化目标，在发送端对用户分配功率，可以使用二分算法、迭代功率优化算法、拉格朗日二乘法以及深度强化学习等算法通过最大化优化目标，得到用户被分配的功率
S4、对用户功率和/>进行功率调整：
为了增加用户间功率差异，本发明通过给同信道上的两个用户的功率比设置一个阈值范围ε＝{ε1,ε2}，从而降低非完美SIC对系统性能的影响。当两用户的功率比值满足时，表示两用户处在一个最佳的功率分配，如图3所示，此时在执行SIC对用户功率排序时，由于两个用户功率相差很大，就很容易区分两个用户，更易解码重构，从而降低检测的错误；针对于两用户的功率比值不满足上述条件则需要调整；
对用户功率和/>进行功率调整的具体过程如下：
当时，不改变两用户的功率，即/>
当时，设置两用户的功率比值为ε1，然后重新计算得到两用户的功率分别为/>
当时，设置两用户的功率比值为ε2，然后重新计算得到两用户的功率分别为/>
S5、对用户的信息进行BPSK调制得到调制信号x1(t)和x2(t)，并且根据用户分配到的功率p1,p2，将所有用户叠加在一起，得到叠加信号最后将叠加信号s(t)经过无线信道传输到接收端，得到接收信号ri(t)＝his(t)+ni,i＝1,2，ni表示加性高斯白噪声，服从/>
S6、由于在发送端叠加用户引入干扰，所以需要在接收端进行SIC操作来消除非正交干扰：
用户受到的主要干扰来自于信道条件差的用户(信道条件差的用户发射功率高，对其他用户来说，造成的干扰就越大)。在接收端每个用户都配置一个SIC接收机，先解调信道质量差的，即用户2的信息，然后从叠加信号中减去该用户的信号，从而消除其对其它用户产生的多址干扰。重复相同的操作，依次对信道上次弱的用户信号进行解码重构消除，直到所需的用户信号在叠加信号中功率最大为止，这样可以将用户间的干扰降到最小，具体步骤包括如下：
601、接收端接收机首先检测信道质量差的用户2的信息，得到用户2的估计信号然后根据/>对用户2的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
602、从接收信号r1(t)中减去用户2的估计信号信息得到
603、将作为输入，得到用户1的估计信号/>然后根据/>对用户1的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
604、在对远用户2进行SIC时，受到比它信道条件好的近用户1的干扰，此时产生的信干噪比为
解码远用户2的信号时会受到各种环境的影响，导致没有完全正确的解码出来信号，存在残留干扰，这种残留干扰会降低系统性能，此时用户1的信干噪比可以表示为
其中，表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰，可以表示为是远用户2的实际值x2(t)和估计值/>的误差。一般来说，e2(t)很大程度上取决于系统设置和实际情况，通过长期测量大量的样本，残留干扰可以近似服从于高斯分布，即/>0为均值，/>为方差。
本发明进行NOMA系统功率分配与传统方法对应的的误码率曲线图如图4所示。
具体实施方式二：
本实施方式为一种存储介质，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法。
本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
基站获取用户的信道状态信息，所述信道状态信息包括用户1和用户2对应的信道增益h1、h2；
根据优化目标，在发送端对用户分配功率，得到用户被分配的功率然后对用户功率/>和/>进行功率调整；
所述的优化目标为非完美SIC残留误差的情况下的优化目标，具体如下：
C1:p1+p2＝Pmax
C2:0＜p1＜p2
C3:
其中，表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的速率；/>表示非完美SIC残留误差的情况下用户j的信干噪比；/>表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰；p1,p2分别表示用户1和用户2的功率，约束条件C1表示两用户的功率和为基站发射的总功率Pmax；C2表示用户1是近用户，由于信道条件好，分配较低的发射功率，用户2为远用户，信道条件较差，分配较多的发射功率；C3中的/>表示非完美SIC残留误差的情况下的最低的数据速率，约束条件C3表示每个用户的数据速率应该满足用户的最低的数据速率；δi 2表示信道噪声功率；
对用户功率和/>进行功率调整的过程包括以下步骤：
基于同信道上的两个用户的功率比阈值范围ε＝{ε1,ε2}进行功率调整：
当时，不改变两用户的功率，即/>
当时，设置两用户的功率比值为ε1，然后重新计算得到两用户的功率分别为
当时，设置两用户的功率比值为ε2，然后重新计算得到两用户的功率分别为
2.根据权利要求1所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，其特征在于，所述方法还包括根据用户功率p1,p2对用户的编码调制信息进行叠加并发送的步骤，具体包括以下步骤：
在发送端，对用户的信息进行BPSK调制得到调制信号x1(t)和x2(t)；
根据用户分配到的功率p1,p2，将所有用户叠加在一起，得到叠加信号最后将叠加信号s(t)经过无线信道传输到接收端。
3.根据权利要求2所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，其特征在于，接收端得到接收信号ri(t)＝his(t)+ni,i＝1,2，ni表示加性高斯白噪声。
4.根据权利要求3所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，其特征在于，所述方法还包括在接收端进行SIC操作来消除非正交干扰的步骤，具体包括以下步骤：
601、接收端接收机首先检测信道质量差的用户2的信息，得到用户2的估计信号然后根据/>对用户2的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
602、从接收信号r1(t)中减去用户2的估计信号信息得到
603、将作为输入，得到用户1的估计信号/>然后根据/>对用户1的信号进行BPSK解调，最后恢复出原始信号信息；
604、在对远用户2进行SIC时，受到比它信道条件好的近用户1的干扰，此时产生的信干噪比为
解码远用户2的信号时会受到各种环境的影响，导致没有完全正确的解码出来信号，存在残留干扰，这种残留干扰会降低系统性能，此时用户1的信干噪比表示为
其中，表示解码信道条件差的远用户2的残留干扰。
5.根据权利要求4所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法，其特征在于，解码信道条件差的远用户2的残留干扰如下：
其中，是远用户2的实际值x2(t)和估计值/>的误差。
6.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有至少一条指令，所述至少一条指令由处理器加载并执行以实现如权利要求1至5之一所述的一种收发端联合优化的NOMA系统功率分配方法。
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