CN116709568A - 一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，属于多址技术随机接入领域，包括以下步骤：S1：建立基于NOMA的2步随机接入的系统模型；S2：通过分析多用户干扰，得出基站处接收信号的信干噪比SINR；S3：分析吞吐量与接收方信干噪比门限值的关系，建立优化问题；S4：通过求解优化问题得出最优的门限值以及最大的吞吐量。本发明方法优化后的基于NOMA的2步随机接入方案在吞吐量表现上优于基于正交多址的2步随机接入方案。
Description
技术领域
本发明属于多址技术随机接入领域，具体涉及一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法。
背景技术
现有基于多址技术实现的2步随机方案主要有两类。第一类是基于正交多址的随机接入方案，这种方案利用时分多址等技术来实现信道共享，不同设备在完全正交的信道上传输数据，不会相互干扰，因此接收信号容易解码。然而，正交信道的数量有限，导致该类方案只能承载较少的设备，难以满足设备数量不断增加的天地协同网络环境的需求。另一类方案是基于非正交多址（Non-OrthogonalMultipleAccess, NOMA）的随机接入方案。例如，使用非正交扩频码的码分多址来实现信道共享的2步随机接入。这一类方案在相同的会话长度下能够承载更多的设备，更符合物联网设备不断增加的发展趋势。然而，由于非正交性，不同用户的信号会相互干扰，给解码工作带来一定困难。目前基于NOMA的随机接入相关技术主要关注接入过程中的前导码检测部分，而对基于NOMA的2步随机接入系统的解码性能研究以及吞吐量的优化还缺乏可用的技术。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，通过对天地协同网络中应用的基于NOMA技术的两步随机接入系统的解码性能与吞吐量的关系进行研究，得出最大的吞吐量与相对应的解码性能要求。同时，通过解码性能要求也能得出系统能够支持的最大设备数量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，包括以下步骤：
S1：建立基于NOMA的2步随机接入的系统模型；
S2：通过分析多用户干扰，得出基站处接收信号的信干噪比（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio, SINR）；
S3：分析吞吐量与接收方信干噪比门限值的关系，建立优化问题；
S4：通过求解优化问题得出最优的门限值以及最大的吞吐量。
进一步，步骤S1中所述基于NOMA的2步随机接入的系统模型包括：系统中存在一个基站和个活动设备，随机接入过程开始时，活动设备从预先确定的前导码池中随机选择一个发送到基站，并将数据在NOMA技术划分出的信道中一同传输；当系统使用的NOMA技术为使用非正交扩频序列的码分多址（CodeDevisionMultipleAccess, CDMA）时，活动设备对数据进行扩频并发送，基站处的接收信号的表达式如下：
其中表示接收信号，/>表示第/>个设备选择的扩频序列；/>为设备/>与基站之间的信道系数；/>为设备/>的发送功率；/>表示设备发送的第/>比特数据，，/>表示活动设备发送的数据长度；/>是服从复高斯分布/>的背景噪声。
进一步，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：基站使用相干器进行解码，其中第个相干器的输出结果如下：
其中表示对第/>个相干器所对应的扩频序列/>做共轭转置运算，用以计算/>与/>之间的相关系数，/>表示第k(m)个设备发送的第t比特数据，/>表示相干器m的输出噪声的第t比特，/>代表扩频序列的相关系数，其值如下式所示：
由于不同扩频序列相关系数不为0，系统中存在多用户干扰，其表达式如下：
其中的为参与随机接入的设备，也称活动设备的数量；/>为接收信号功率；/>为扩频序列的长度；通过对多用户干扰与噪声的分析，得出基站处接收信号的信干噪比SINR如下式：
其中的为信道噪声的功率，使用信干噪比表征接收方的解码能力；
基站使用多用户检测（MultiUserDetection,MUD）对接收信号进行解码，得到相比上式更好的信干噪比表现，如下式：
其中表示信噪比SNR，其表达式为/>，/>为活动设备数量/>与扩频序列长度的比值。
进一步，步骤S3具体包括：
基站能解码信干噪比不小于一门限值的信号，系统在活动设备数量为/>的情况下的吞吐量为：
其中D表示一次会话中设备发送的数据长度；结合活动设备数量的分布概率，得出系统的吞吐量期望值如下式：
其中
是在满足门限控制条件的前提下能够允许的最大的活动设备数量；
假设活动设备数量服从参数为的泊松分布，/>的物理意义为活动设备数量的平均值，可得：
。
进一步，步骤S4具体包括以下步骤：
以吞吐量期望值最大为优化目标，对门限值进行优化，得出如下优化问题：
其中的为信噪比，当/>足够大时，将求和式做如下近似：
用函数表示高斯分布的累计分布函数，则：
最终优化问题变形为下式：
当使用匹配滤波法时，将吞吐量函数化简为一个单峰函数，通过令其导数为0得出最优解；在应用MUD时，通过求解器得出最优解；
得出的最优解是使系统吞吐量最优的信干噪比下限；调整发送方的信噪比或活动设备数量，或者更换系统使用的扩频序列以增加扩频序列长度，使得系统的SINR不小于，以得到最优的吞吐量。
进一步，当使用其他的NOMA技术时，通过先分析SINR，再对SINR要求与吞吐量的关系建立优化问题，求解优化问题得到最优的吞吐量与相应的条件。
本发明的有益效果在于：与基于TDMA的2步随机接入方案相比，本发明方法优化后的基于NOMA的2步随机接入方案在吞吐量表现上优于基于正交多址的2步随机接入方案。
本发明的其他优点、目标和特征将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上对本领域技术人员而言是显而易见的，或者本领域技术人员可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：
图1为本发明搜索一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法流程图；
图2为吞吐量随活动设备数量平均值的变化情况；
图3为吞吐量随扩频序列长度的变化情况。
具体实施方式
如图1所示，本发明提供一种对基于NOMA的2步随机接入系统的吞吐量优化，具体内容如下：
1)建立基于NOMA的2步随机接入的系统模型。系统中存在一个基站和个活动设备，随机接入过程开始时，活动设备从预先确定的前导码池中随机选择一个发送到基站，并将数据在NOMA技术划分出的信道中一同传输。假设系统中的前导码数量足够多使得活动设备发生前导碰撞的可能性可以忽略，因而本方法主要关注后续的信号解码部分。当系统使用的NOMA技术为使用非正交扩频序列的码分多址（CodeDevisionMultipleAccess, CDMA）时，活动设备对数据进行扩频并发送。基站处的接收信号的表达式如下：
(1)
其中表示接收信号，/>表示第/>个设备选择的扩频序列；/>为设备/>与基站之间的信道系数；/>为设备/>的发送功率；/>表示设备发送的第/>比特数据，/>，/>表示活动设备发送的数据长度；/>是服从复高斯分布/>的背景噪声。
2)基站使用相干器进行解码，其中第个相干器的输出结果如下：
(2)
其中表示对第/>个相干器所对应的扩频序列/>做共轭转置运算，用以计算/>与/>之间的相关系数，/>表示第k(m)个设备发送的第t比特数据，/>表示相干器m的输出噪声的第t比特，/>代表扩频序列的相关系数，其值如下式所示：
(3)
由于不同扩频序列相关系数不为0，系统中存在多用户干扰，其表达式如下：
(4)
其中的为参与随机接入的设备，也称活动设备的数量；/>为接收信号功率；/>为扩频序列的长度。通过对多用户干扰与噪声的分析，可得出基站处接收信号的信干噪比（SignaltoInterferenceplusNoiseRatio, SINR）如下式：
(5)
其中的为信道噪声的功率。使用信干噪比表征接收方的解码能力。
若基站使用多用户检测（MultiUserDetection,MUD）对接收信号进行解码，则可以得到更好的信干噪比表现，如下式：
(6)
其中表示信噪比SNR，其表达式为/>，/>为活动设备数量/>与扩频序列长度的比值。
3)假设基站可以解码信干噪比不小于一门限值的信号，因此可以得出系统在活动设备数量为/>的情况下的吞吐量为：
(7)
其中D表示一次会话中设备发送的数据长度；结合活动设备数量的分布概率，可以得出系统的吞吐量期望值如下式：
(8)
其中
(9)
是在满足门限控制条件的前提下能够允许的最大的活动设备数量。
假设活动设备数量服从参数为的泊松分布，/>的物理意义为活动设备数量的平均值，可得：
(10)
4)为得出最优的接收方信干噪比门限，以吞吐量期望值最大为优化目标，对门限值进行优化，得出如下优化问题：
(11)
其中的为信噪比。当/>足够大时，可将求和式做如下近似：
(12)
常用函数表示高斯分布的累计分布函数，因此可得：
(13)
最终优化问题变形为下式：
(14)
当使用匹配滤波法时，可将吞吐量函数进一步化简为一个单峰函数，通过令其导数为0得出最优解。而在应用MUD时，也可通过求解器简单的得出最优解。
得出的最优解是使系统吞吐量最优的信干噪比下限。因此，应调整发送方的信噪比或活动设备数量，或者更换系统使用的扩频序列以增加扩频序列长度，使得系统的SINR不小于/>，以得到最优的吞吐量。
而当使用其他的NOMA技术时，也可以通过先分析SINR，再对SINR要求与吞吐量的关系建立优化问题，最终求解优化问题的方式得失最优的吞吐量与相应的条件。
本发明提出了一种提高天地协同网络中随机接入系统吞吐量的优化方法。本方法首先通过对系统中由非正交性引起多用户干扰进行分析，得出接收信号的信干噪比。随后，通过对分析接收方的信干噪比要求与吞吐量的关系得出优化问题，通过求解得出最优的信干噪比门限要求，并相应的得出最优系统吞吐量。图2和图3分别展示了经本方法优化后的基于CDMA的2步随机接入方案随活动设备平均数量与扩频序列长度的变化情况，且与基于TDMA的2步随机接入方案进行了对比。由图可知，本方法优化后的基于NOMA的2步随机接入方案在吞吐量表现上优于基于正交多址的2步随机接入方案。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。
Claims (6)
1.一种提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1：建立基于NOMA的2步随机接入的系统模型；
S2：通过分析多用户干扰，得出基站处接收信号的信干噪比SINR；
S3：分析吞吐量与接收方信干噪比门限值的关系，建立优化问题；
S4：通过求解优化问题得出最优的门限值以及最大的吞吐量。
2.根据权利要求1所述的提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：步骤S1中所述基于NOMA的2步随机接入的系统模型包括：系统中存在一个基站和个活动设备，随机接入过程开始时，活动设备从预先确定的前导码池中随机选择一个发送到基站，并将数据在NOMA技术划分出的信道中一同传输；当系统使用的NOMA技术为使用非正交扩频序列的码分多址CDMA时，活动设备对数据进行扩频并发送，基站处的接收信号的表达式如下：
其中表示接收信号，/>表示第/>个设备选择的扩频序列；/>为设备/>与基站之间的信道系数；/>为设备/>的发送功率；/>表示设备发送的第/>比特数据，/>，/>表示活动设备发送的数据长度；/>是服从复高斯分布/>的背景噪声。
3.根据权利要求1所述的提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21：基站使用相干器进行解码，其中第个相干器的输出结果如下：
其中表示对第/>个相干器所对应的扩频序列/>做共轭转置运算，用以计算/>与之间的相关系数，/>表示第k(m)个设备发送的第t比特数据，/>表示相干器m的输出噪声的第t比特，/>代表扩频序列的相关系数，其值如下式所示：
由于不同扩频序列相关系数不为0，系统中存在多用户干扰，其表达式如下：
其中的为参与随机接入的设备，也称活动设备的数量；/>为接收信号功率；/>为扩频序列的长度；通过对多用户干扰与噪声的分析，得出基站处接收信号的信干噪比SINR如下式：
其中的为信道噪声的功率，使用信干噪比表征接收方的解码能力；
基站使用多用户检测MUD对接收信号进行解码，得到相比上式更好的信干噪比表现，如下式：
其中表示信噪比SNR，其表达式为/>，/>为活动设备数量/>与扩频序列长度/>的比值。
4.根据权利要求1所述的提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：步骤S3具体包括：
基站能解码信干噪比不小于一门限值的信号，系统在活动设备数量为/>的情况下的吞吐量为：
其中D表示一次会话中设备发送的数据长度；结合活动设备数量的分布概率，得出系统的吞吐量期望值如下式：
其中
是在满足门限控制条件的前提下能够允许的最大的活动设备数量；
假设活动设备数量服从参数为的泊松分布，/>的物理意义为活动设备数量的平均值，可得：
。
5.根据权利要求1所述的提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：步骤S4具体包括以下步骤：
以吞吐量期望值最大为优化目标，对门限值进行优化，得出如下优化问题：
其中的为信噪比，当/>足够大时，将求和式做如下近似：
用函数表示高斯分布的累计分布函数，则：
最终优化问题变形为下式：
当使用匹配滤波法时，将吞吐量函数化简为一个单峰函数，通过令其导数为0得出最优解；在应用MUD时，通过求解器得出最优解；
得出的最优解是使系统吞吐量最优的信干噪比下限；调整发送方的信噪比或活动设备数量，或者更换系统使用的扩频序列以增加扩频序列长度，使得系统的SINR不小于/>，以得到最优的吞吐量。
6.根据权利要求5所述的提高天地协同随机接入系统吞吐量的优化方法，其特征在于：当使用其他的NOMA技术时，通过先分析SINR，再对SINR要求与吞吐量的关系建立优化问题，求解优化问题得到最优的吞吐量与相应的条件。
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