TWI759920B - 非正交多重接取系統中的功率分配方法及使用所述方法的基地台 - Google Patents

非正交多重接取系統中的功率分配方法及使用所述方法的基地台 Download PDF

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TWI759920B
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Abstract

本發明揭露一種非正交多重接取系統中的功率分配方法，適用於一基地台。所述方法包括下列步驟：自第一使用者設備接收第一通道估測誤差參數，並自第二使用者設備接收第二通道估測誤差參數；配置前述第一使用者設備的第一最低傳輸率需求與前述第二使用者設備的第二最低傳輸率需求；依據前述第一通道估測誤差參數、前述第二通道估測誤差參數、前述第一最低傳輸率需求與前述第二最低傳輸率需求決定一功率分配因子；以及依據前述功率分配因子決定前述第一使用者設備的第一傳輸功率與前述第二使用者設備的第二傳輸功率。

Description

非正交多重接取系統中的功率分配方法及使用所述方法的基地台
本發明是有關於非正交多重接取系統，且特別是有關於一種非正交多重接取系統中的功率分配方法及使用所述方法的基地台。
大多數現存的無線通訊系統採用正交多重接取（orthogonal multiple access，OMA）技術，例如分時多重接取、分頻多重接取及分碼多重接取，以避免或減輕不同用戶訊號的相互干擾，達到良好的傳輸效能。然而，隨著網路服務與應用的日漸普及，未來對無線通訊的系統容量要求會越來越高，因此，有必要持續改善無線通訊的多重接取技術。近年來，非正交多重接取（non-orthogonal multiple access，NOMA）技術日漸受到重視，因為此種技術可以提高系統的資源使用效率，達到比OMA技術更高的系統容量。
在NOMA系統中，用戶多工可以在功率域中進行，亦即藉由用戶間合適的功率分配將多個用戶的訊息疊加起來，以讓多個用戶分享相同的通道資源（例如相同時間和頻段），進行訊息傳送。此種功率域NOMA傳輸技術雖然會造成不同用戶訊號的相互干擾，但可在接收端利用連續性干擾消除（successive interference cancellation，SIC）技術以偵測出正確的用戶訊號。
關於功率域，NOMA系統的設計上尚有許多值得探討的問題，例如，用戶功率分配會直接影響系統效能，必須進一步改良。由於現有的功率分配方法大多是在完美通道估測的假設下發展，而實際環境的通道估測結果則通常是不完美的，所以，如何針對非完美通道估測的實際情況，為NOMA系統提出具有高效率與高效能的功率分配演算法，為本領域技術人員所關心的議題之一。
本發明提供一種非正交多重接取系統中的功率分配方法及其基地台，所述方法藉由讓基地台依據使用者裝置回傳的通道估測誤差決定功率分配因子，而可於非完美通道估測的實際環境中具備更佳的系統效能。
本發明所提供之非正交多重接取系統中的功率分配方法適用於一基地台，並包括下列步驟：自第一使用者設備接收第一通道估測誤差參數，並自第二使用者設備接收第二通道估測誤差參數；配置前述第一使用者設備的第一最低傳輸率需求與前述第二使用者設備的第二最低傳輸率需求；依據前述第一通道估測誤差參數、前述第二通道估測誤差參數、前述第一最低傳輸率需求與前述第二最低傳輸率需求、決定一功率分配因子；以及依據前述功率分配因子決定前述第一使用者設備的第一傳輸功率與前述第二使用者設備的第二傳輸功率。
本發明所提供之基地台適用於服務一非正交多重接取系統中的第一使用者設備與第二使用者設備，並包括收發電路、儲存電路及處理器。該收發電路用以傳送訊息給前述第一使用者設備與前述第二使用者設備，該儲存電路儲存多個模組，而該處理器則耦接該儲存電路和該收發電路，並經配置以存取前述模組和執行以下步驟：自第一使用者設備接收第一通道估測誤差參數，並自第二使用者設備接收第二通道估測誤差參數；配置前述第一使用者設備的第一最低傳輸率需求與前述第二使用者設備的第二最低傳輸率需求；依據前述第一通道估測誤差參數、前述第二通道估測誤差參數、前述第一最低傳輸率需求與前述第二最低傳輸率需求決定一功率分配因子；以及依據前述功率分配因子決定前述第一使用者設備的第一傳輸功率與前述第二使用者設備的第二傳輸功率。
基於上述，於本發明的實施例中，在非完美通道估測的環境下，第一使用者設備與第二使用者設備在進行通道估測之後各自回報第一通道估測誤差參數與第二通道估測誤差參數，而基地台則可依據該第一通道估測誤差參數與該第二通道估測誤差參數決定功率分配因子，並依據功率分配因子來分配傳輸功率。藉此，本發明可有效改善NOMA系統於非完美通道估測環境中的效能，並確保第一使用者設備與第二使用者設備於非完美通道估測環境中的最低傳輸率需求。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式詳細說明如下。
請參照圖1，其是依據本發明之一實施例繪示的NOMA系統示意圖。在本實施例中，NOMA系統100包括基地台110、第一使用者設備121，以及第二使用者設備122。第一使用者設備121與第二使用者設備122位於基地台110的涵蓋範圍130內，以由基地台110所服務。於此，第一使用者設備121（即強用戶）具有較大的通道增益，而第二使用者設備122（即弱用戶）具有較小的通道增益。
第一使用者設備121與第二使用者設備122例如可實現為（但不限於）移動站、先進移動站（advanced mobile station，AMS）、伺服器、用戶端、桌上型電腦、膝上型電腦、網路電腦、工作站、個人數位助理（personal digital assistant，PDA）、平板電腦（tablet personal computer，tablet PC）、掃描器、電話裝置、尋呼機、相機、電視、掌上型視頻遊戲裝置、音樂裝置、無線感測器等等，本發明並未對此有所限制。
基地台110可包含（但不限於），例如，gNB、eNB、家用eNB（Home eNB）、高級基地台（advanced base station，ABS）、基站收發系統（base transceiver system，BTS）、接取點、本籍基地台（home BS）、中繼器、中間節點、中間設備以及/或者基於衛星的通訊基地台，但本發明的可實施方式並不限於此。
請參照圖2，其是依據本發明一實施例所繪示的基地台的方塊圖。在本實施例中，基地台110可至少包含（但不限於）收發器210、儲存電路220及處理器230。收發器210可包含傳送器電路、類比-數位（analog-to-digital，A/D）轉換器、D/A轉換器、低噪音放大、混頻、濾波、阻抗匹配、傳輸線、功率放大、一或多個天線電路及本地儲存媒體元件（但本發明並不限於此），以為基地台110提供無線傳送/接收功能給第一使用者設備121與第二使用者設備122。儲存電路220例如是記憶體、硬碟、或任何其它用以儲存資料的元件，並可經配置以記錄多個程式碼或模組。
處理器230耦接收發器210及儲存電路220，其可為一般用途處理器、特殊用途處理器、傳統的處理器、數位訊號處理器、多個微處理器（microprocessor）、一個或多個結合數位訊號處理器核心的微處理器、控制器、微控制器、特殊應用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）、場可程式閘陣列電路（field programmable gate array，FPGA）、任何其他種類的積體電路、狀態機、基於進階精簡指令集機器（advanced RISC machine，ARM）的處理器以及類似品。
在本實施例中，處理器230可存取並執行儲存電路220中的模組以執行本發明提出的功率分配方法，對應的細節說明如下。為了清楚說明本發明原理，以下將先以第一使用者設備121與第二使用者設備122經由單輸入單輸出（SISO）通道與基地台110進行通訊為範例進行說明。
回到圖1，在NOMA系統100中，為了能夠在接收端（即，第一使用者設備121與第二使用者設備122）正確地解調出基地台110傳送的訊號，基地台110可進行功率分配，其中為弱用戶的訊號配置較多的傳輸功率，而為強用戶的訊號配置較少的傳輸功率。更具體而言，基地台110可在對欲傳送予第一使用者設備121與第二使用者設備122的複數訊號 s 1、 s 2個別分配第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2之後予以疊加，並將疊加後的複數訊號 x傳送至第一使用者設備121與第二使用者設備122。在本實施例中，所述疊加後的傳送複數訊號 x可表徵為式（1）：
Figure 02_image001
式（1） 其中，在假設第一使用者設備121的通道增益大於第二使用者設備122的通道增益的情況下，第一傳輸功率 P 1必須小於第二傳輸功率 P 2，而且第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2的和等於NOMA系統100的總傳輸功率 P T。
在本實施例中，基地台110和第一使用者設備121之間的真實複數通道衰減係數表徵為 h 1，且基地台110和第二使用者設備122之間的真實複數通道衰減係數表徵為 h 2。相應地，第一使用者設備121與基地台110之間的通道增益可表徵為| h 1| 2，而第二使用者設備122與基地台110之間的通道增益可表徵為| h 2| 2。基此，第一使用者設備121與第二使用者設備122接收的複數訊號 y 1和 y 2則可分別表示為式（2）和（3）：
Figure 02_image003
式（2）
Figure 02_image005
式（3） 其中， v 1與 v 2為複數加性高斯白雜訊（additive white Gaussian noise，AWGN），且對應的平均值和變異數分別假設為0和 N 0,1以及0和 N 0,2，亦即 v 1與 v 2分別可表徵為
Figure 02_image007
與
Figure 02_image009
；於此，假設 N 0,1= N 0,2= N 0。
於本實施例中，考量到非完美通道估測的發生，式（2）和（3）可表徵為式（4）和（5）：
Figure 02_image011
式（4）
Figure 02_image013
式（5） 其中，第一使用者設備121進行通道估測而獲取的通道衰減係數估測值表徵為
Figure 02_image015
，對應的通道估測誤差（channel estimation error）表徵為∆ h 1，第二使用者設備122進行通道估測而獲取的通道衰減係數估測值表徵為
Figure 02_image017
，對應的通道估測誤差表徵為∆ h 2，而∆ h 1與∆ h 2的平均值和變異數分別假設為0和
Figure 02_image019
以及0和
Figure 02_image021
，且分別可表徵為
Figure 02_image023
與
Figure 02_image025
。在此，
Figure 02_image019
與
Figure 02_image021
是第一使用者設備121與第二使用者設備122各自進行通道估測而可自行獲取的通道估測誤差統計資訊，亦即通道估測的均方誤差（mean-squared error，MSE），其值反應通道估測的品質。
依據NOMA的原則，具有較大通道增益的強用戶應相應地被分配較小的傳輸功率。在此情況下，第一使用者設備121則可透過SIC技術將基於訊號 s 2的干擾移除（例如，圖1的區塊141），然後直接解碼出自己的訊號 s 1（例如，圖1的區塊142）。另一方面，對於具較小通道增益的弱用戶而言，由強用戶的訊號所產生的干擾可被視為是雜訊，而第二使用者設備122可直接解碼出自己的訊號（例如，圖1的區塊143）。
在非完美通道估測的條件中成功解碼出訊號 s 1和 s 2的情況下，第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道容量下界值（capacity lower bound）可分別表示為式（6）和（7）：
Figure 02_image027
式（6）
Figure 02_image029
式（7） 其中 N 0為AWGN的雜訊功率。需說明的是，當第一使用者設備121使用通道衰減係數估測值
Figure 02_image015
來進行SIC程序時，式（4）中的
Figure 02_image031
無法被完整移除，因此第一使用者設備121的通道容量下界值
Figure 02_image033
可表示為式（6）；另一方面，式（5）中基於通道估測誤差而產生的
Figure 02_image035
可視為額外的干擾，因此第二使用者設122的通道容量下界值
Figure 02_image037
可表示為式（7）。
依據式（6）和式（7），顯示出第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道容量下界值
Figure 02_image033
、
Figure 02_image037
分別與第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2有關。也就是說，對於訊號 s 1、 s 2的功率分配將會直接影響第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道容量下界值
Figure 02_image033
、
Figure 02_image037
。需說明的是，通道估測誤差的存在，使得通道容量難以精確表示，因此後續推導將依據本實施例所定義的通道容量下界值進行。
在本實施例中，考量到第一使用者設備121與第二使用者設備122的服務品質（quality of service，QoS），另定義了最低傳輸率需求；具體而言，基地台110針對第一使用者設備121配置第一最低傳輸率需求
Figure 02_image039
，並針對第一使用者設備121配置第二最低傳輸率需求
Figure 02_image041
。因此，下列三種情況皆有可能發生系統中斷（system outage）：（一）第一使用者設備121可成功解碼別人的訊號 s 2之資料傳輸率小於第二最低傳輸率需求
Figure 02_image043
，此一情況將造成基於訊號 s 2的干擾無法順利經由SIC過程移除，進而降低第一使用者設備121可成功解碼自己的訊號 s 1之機率與資料傳輸率；（二）第一使用者設備121可成功解碼自己的訊號 s 1之資料傳輸率小於第一最低傳輸率需求
Figure 02_image039
；（三）第二使用者設備122可成功解碼自己的訊號 s 2之資料傳輸率小於第二最低傳輸率需求
Figure 02_image041
。
在有通道估測誤差的情況下，精確的系統中斷機率是無法獲取的，因此本發明實施例將NOMA系統中各使用者設備對應的通道容量下界值當作可成功解碼自己或別人的訊號之資料傳輸率下界值，並基於滿足根據第一最低傳輸率需求
Figure 02_image039
（單位：bps/Hz）與第二最低傳輸率需求
Figure 02_image041
（單位：bps/Hz）而設置的多個限制條件來決定系統中斷機率的上界值（system outage probability upper bound）。詳細而言，令 R i,j 代表第 i使用者設備可成功解碼第 j使用者設備的訊號之資料傳輸率下界值，則用以決定系統中斷機率的上界值的所述限制條件可分別表徵為式（8）至式（10）：
Figure 02_image044
式（8）
Figure 02_image046
式（9）
Figure 02_image048
式（10） 其中，式（8）代表第一使用者設備121可成功解碼別人的訊號 s 2之資料傳輸率下界值 R 1,2大於等於第二最低傳輸率需求
Figure 02_image041
；式（9）代表第一使用者設備121可成功解碼自己的訊號 s 1之資料傳輸率下界值 R 1,1大於等於第一最低傳輸率需求
Figure 02_image039
；式（10）代表第二使用者設備122可成功解碼自己的訊號 s 2之資料傳輸率下界值 R 2,2大於等於第二最低傳輸率需求
Figure 02_image041
。
根據上述，系統中斷機率的上界值 P upper可表徵為式（11）：
Figure 02_image050
式（11） 於是，在總傳輸功率為 P T的情況下，將系統中斷機率的上界值 P upper最小化的最佳化問題可表徵為：
Figure 02_image052
式（12a） 受限於（subject to）
Figure 02_image054
式（12b）
Figure 02_image056
式（12c） 在以上的最佳化問題中，式（12a）代表需找出讓系統中斷機率的上界值 P upper為最小值的第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2，式（12b）代表第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2的總和需符合總系統功率 P T，而式（12c）代表在NOMA原則中，分配予弱用戶的傳輸功率必須大於強用戶的傳輸功率。
於此，對於第一使用者設備121與第二使用者設備122而言，可定義一功率分配因子（以
Figure 02_image058
表示），而分配給第一使用者設備121的第一傳輸功率可表示為 P 1=
Figure 02_image058
P T，分配給第二使用者設備122的第二傳輸功率可表示為 P 2= P T– P 1。在此情況下，上述最佳化問題可重新表示為：
Figure 02_image060
式（13a） 受限於
Figure 02_image062
式（13b）
Figure 02_image063
式（13c）
為了解決式（13a）至（13c）的最佳化問題，假設通道衰減係數估測值
Figure 02_image015
為一複數高斯隨機變數，且其平均值和變異數分別為0和
Figure 02_image065
，亦即
Figure 02_image015
可表徵為
Figure 02_image067
；相似地，假設通道衰減係數估測值
Figure 02_image017
為一複數高斯隨機變數，且其平均值和變異數分別為0及
Figure 02_image069
，亦即
Figure 02_image017
可表徵為
Figure 02_image071
。在此情況下，式（11）中的
Figure 02_image073
可表徵為式（14）：
Figure 02_image075
式（14） 其中，
Figure 02_image077
且
Figure 02_image079
。
於式（14）中，在
Figure 02_image081
或
Figure 02_image083
的情況下，
Figure 02_image073
=0，因其違反NOMA的操作原則。當
Figure 02_image085
，由於
Figure 02_image087
與
Figure 02_image089
彼此獨立，所以式（14）可表徵為 Q 1 Q 2，其中 Q 2可表徵為式（15）；在同時滿足式（16）的情況下， Q 1可表徵為式（17），而在同時滿足式（18）的情況下， Q 1可表徵為式（19）。
Figure 02_image091
式（15）
Figure 02_image093
式（16）
Figure 02_image095
式（17）
Figure 02_image097
式（18）
Figure 02_image099
式（19）
在獲取 Q 1與 Q 2的情況下，式（11）可表徵為 P upper=1– Q 1 Q 2，這意謂最小化 P upper的最佳化問題等同於最大化 Q 1 Q 2。基此，定義 f(
Figure 02_image058
)= Q 1 Q 2，並將最小化 P upper的最佳化問題等同於最大化 f(
Figure 02_image058
)的問題如下：
Figure 02_image101
式（20a） 受限於
Figure 02_image103
式（20b）
Figure 02_image104
式（20c）
於式（17）中，當
Figure 02_image106
， Q 1為嚴格遞減函數。於式（19）中，當
Figure 02_image107
， Q 1為嚴格遞增函數。於式（15）中，當
Figure 02_image085
， Q 2為嚴格遞減函數。由此可知， f(
Figure 02_image058
)的最大值發生於
Figure 02_image108
。
基於前述說明， f(
Figure 02_image058
)可表徵為式（21）：
Figure 02_image109
式（21） 藉由對 f(
Figure 02_image058
)進行微分，可獲取使 f(
Figure 02_image058
)為最大值的最佳功率分配因子
Figure 02_image111
如下：
Figure 02_image113
式（22） 其中，為了確保
Figure 02_image115
，
Figure 02_image117
和
Figure 02_image119
的設定須滿足
Figure 02_image121
。此一最佳功率分配因子
Figure 02_image111
可使系統中斷機率的上界值 P upper最小化，並確保第一使用者設備121與第二使用者設備122各自享有最低傳輸率；基地台110可先依據式（22）來進行功率分配，以與第一使用者設備121與第二使用者設備122進行NOMA傳輸。
此外，對於第一使用者設備121與第二使用者設備122而言，可定義正規化的通道估測均方誤差（normalized MSE），其可分別表示為
Figure 02_image123
與
Figure 02_image125
。於實際應用中，假設第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道估計品質接近，亦即
Figure 02_image127
會
Figure 02_image129
彼此近似。在此情況下，式（22）中的
Figure 02_image131
可由
Figure 02_image133
取而代之。因此，在基地台110不知道通道衰減係數估測值之變異數
Figure 02_image135
、
Figure 02_image136
的情況下，基地台110可依據式（23）中的最佳功率分配因子
Figure 02_image111
的近似解來進行功率分配，以與第一使用者設備121與第二使用者設備122進行NOMA傳輸。
Figure 02_image137
式（23） 其中
Figure 02_image121
。
基此，於一實施例中，在第一使用者設備121與第二使用者設備122各自進行通道估測之後，第一使用者設備121與第二使用者設備122各自可產生通道估測資訊。透過將通道估測資訊回報給基地台110，基地台110可基於式（22）或式（23）直接決定功率分配因子，並進而決定第一使用者設備121的第一傳輸功率與第二使用者設備122的第二傳輸功率。由前述的說明可知，基於式（22）或式（23）所產生的功率分配因子可讓系統中斷機率的上界值 P upper最小化（或近似最小化），並確保第一使用者設備121與第二使用者設備122各自享有最低傳輸率。
應了解的是，先前實施例是假設基地台110與第一使用者設備121以及第二使用者設備122之間的通道為單輸入單輸出（SISO）的態樣，但在其他實施例中，本發明提出的方法還可延伸至多輸入多輸出（multiple input multiple output，MIMO）的態樣。具體而言，於一實施例中，基地台110可與第一使用者設備121以及第二使用者設備122經由多輸入多輸出（MIMO）通道來進行通訊。於此，假設基地台110具有 M T個傳送天線，而第一使用者設備121與第二使用者設備122各自具有 M R個接收天線，且 M T與 M R之間的較小值表徵為 M min。
在本實施例中，基地台110與第一使用者設備121與第二使用者設備122之間的真實通道矩陣分別表徵為 M R× M T的複數矩陣 H 1與 H 2，且弗羅貝尼烏斯範數（Frobenius norm）
Figure 02_image140
與
Figure 02_image142
分別代表對應的MIMO通道增益。在
Figure 02_image140
＞
Figure 02_image142
的假設情況下，基地台110可在對欲傳送予第一使用者設備121與第二使用者設備122的 M T×1複數向量訊號 s 1、 s 2個別分配第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2之後予以疊加，並將疊加後的 M T×1複數向量訊號 x傳送至第一使用者設備121與第二使用者設備122，其中第一傳輸功率 P 1小於第二傳輸功率 P 2，第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2的總和等於NOMA系統100的總傳輸功率 P T。在均勻分配第一傳輸功率 P 1與第二傳輸功率 P 2給 M T個傳送天線的情況下，所述疊加後的傳送複數向量訊號 x可表徵為式（24）：
Figure 02_image144
式（24）
於此，對於第一使用者設備121與第二使用者設備122而言，可定義一功率分配因子（以
Figure 02_image058
表示），而分配給第一使用者設備121的第一傳輸功率可表示為 P 1=
Figure 02_image058
P T，分配給第二使用者設備122的第二傳輸功率可表示為 P 2= P T– P 1。
對應地，在非完美通道估測的情境中，第一使用者設備121與第二使用者設備122接收的 M T×1複數向量訊號 y 1和 y 2可分別表示為式（25）和（26）：
Figure 02_image146
式（25）
Figure 02_image148
式（26） 其中， v 1與 v 2為複數高斯雜訊向量，且雜訊向量內各元素為獨立同分佈，且平均值和變異數分別假設為0和 N 0，亦即各雜訊向量之每一元素可表徵為
Figure 02_image150
；第一使用者設備121進行通道估測而獲取的通道衰減係數矩陣估測結果表徵為矩陣
Figure 02_image152
，對應的通道估測誤差矩陣（channel estimation error matrix）表徵為
Figure 02_image154
，第二使用者設備122進行通道估測而獲取的通道衰減係數矩陣估測結果表徵為
Figure 02_image156
，對應的通道估測誤差矩陣表徵為
Figure 02_image158
，且
Figure 02_image160
和
Figure 02_image162
皆為 M R× M T的複數矩陣。
在本實施例中，
Figure 02_image152
各元素假設為複數高斯獨立同分佈，並可表徵為
Figure 02_image163
；
Figure 02_image156
各元素假設為複數高斯獨立同分佈，並可表徵為
Figure 02_image165
；
Figure 02_image154
各元素假設為複數高斯獨立同分佈，並可表徵為
Figure 02_image167
；
Figure 02_image158
各元素假設為複數高斯獨立同分佈，並可表徵為
Figure 02_image169
。需說明的是，
Figure 02_image171
和
Figure 02_image173
分別為第一使用者設備121和第二使用者設備122進行通道估測而獲取的通道矩陣估測結果
Figure 02_image152
和
Figure 02_image156
中各元素估測值的變異數，而
Figure 02_image175
和
Figure 02_image177
則分別為真實通道矩陣 H 1和 H 2中各元素對應的通道估測的均方誤差，其值反應通道估測的品質。
在此情況下，在非完美通道估測的條件中成功解碼出訊號 s 1和 s 2的情況下，第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道容量下界值可分別表示為式（27）與（28）：
Figure 02_image179
式（27）
Figure 02_image181
式（28） 其中，
Figure 02_image183
為 M R× M R的單位矩陣，而(․) H 表示共軛轉置。
具體而言，透過奇異值分解（singular value decomposition，SVD）， M R× M T個MIMO通道可視為 M min組多個平行SISO子通道的組合。此外，在MIMO的環境中，基地台110與第一使用者設備121和第二使用者設備122之間的通道矩陣估測結果分別為
Figure 02_image152
和
Figure 02_image156
，而通道矩陣
Figure 02_image185
（ n=1, 2）的各個奇異值（singular value）的平方即為各個子通道的通道增益。在此情況下，通道矩陣
Figure 02_image185
的有效通道增益即為各個奇異值的平方之總和，而其可藉由計算通道矩陣
Figure 02_image185
的弗羅貝尼烏斯範數
Figure 02_image188
而得。於是，
Figure 02_image185
中各SISO子通道的平均有效通道增益可為
Figure 02_image190
/ M min，而式（27）與（28）分別可近似簡化為式（29）與（30）：
Figure 02_image191
式（29）
Figure 02_image193
式（30）
基於相似於前述SISO態樣中的假設與推導原理，在MIMO的環境中，透過最小化系統中斷機率的上界值，可獲取最佳功率分配因子。當基地台110透過MIMO通道與第一使用者設備121和第二使用者設備122進行通訊，對應的最佳功率分配因子
Figure 02_image195
可表徵為式（31）：
Figure 02_image197
式（31） 其中，
Figure 02_image199
，
Figure 02_image201
，且
Figure 02_image203
。
在假設第一使用者設備121與第二使用者設備122的通道估測品質接近的情況下，式（31）的最佳功率分配因子
Figure 02_image195
可近似為式（32）：
Figure 02_image205
式（32） 其中，
Figure 02_image199
，
Figure 02_image201
，且
Figure 02_image203
。
基此，於一實施例中，當第一使用者設備121與第二使用者設備122透過MIMO通道與基地台110通訊，基地台110可基於式（31）或式（32）直接決定功率分配因子，並進而決定第一使用者設備121的第一傳輸功率與第二使用者設備122的第二傳輸功率。
有鑑於此，本發明實施例提出一種NOMA系統100中的功率分配方法，其可讓基地台110在面對第一使用者設備121與第二使用者設備122時，有效率地決定功率分配因子來進行功率分配，藉以提昇NOMA系統100於非完美通道估測環境中的效能，詳細說明如下。
請參照圖3，其是依據本發明一實施例所繪示的功率分配方法的流程圖。本實施例的方法可適用於圖1的NOMA系統100，以下即搭配圖1所示的內容說明圖3所示的各步驟細節。
概略而言，於一實施例中，在NOMA系統100的下行鏈路傳輸中，基地台110可依據非完美通道估測資訊來進行功率分配，而達到更佳的效能。基此，在圖3所示的實施例中，於步驟S301與步驟S302，基地台110發送參考訊號（reference signal，RS）至第一使用者設備121以及第二使用者設備122。接著，於步驟S303，第一使用者設備121可依據參考訊號進行通道估測，並獲取非完美通道估測資訊。於步驟S304，第二使用者設備122可依據參考訊號進行通道估測，並獲取非完美通道估測資訊。舉例而言，第一使用者設備121和第二使用者設備122可透過最小平方差估測法（least-squares，LS）、最小均方差估測法（minimum mean-squared error，MMSE）或其他演算法來進行通道估測。
於步驟S305，第一使用者設備121可回報非完美通道估測資訊給基地台110。同理，於步驟S306，第二使用者設備122可回報非完美通道估測資訊給基地台110。於一實施例中，第一使用者設備121與第二使用者設備122可透過實體上傳控制通道（PUCCH）或實體上傳分享通道（PUSCH）回報非完美通道估測資訊。非完美通道估測資訊可視為一種通道狀態資訊（CSI）且包括通道估測誤差參數。於一實施例中，第一使用者設備121與第二使用者設備122可分別回報其通道估測的MSE。
於步驟S307，在第一使用者設備121的第一最低傳輸率需求與第二使用者設備122的第二最低傳輸率需求已經配置的情況下，基地台110可依據第一使用者設備121與第二使用者設備122所回報的非完美通道估測資訊來決定功率分配因子，以決定第一使用者設備121的第一傳輸功率與第二使用者設備122的第二傳輸功率。於一實施例中，基地台110依據非完美通道估測資訊中之通道估測的MSE來決定功率分配因子，再於步驟S308，依據第一使用者設備121的第一傳輸功率與第二使用者設備122的第二傳輸功率產生疊加訊號，然後於步驟S309，將疊加訊號發送給第一使用者設備122與第一使用者設備122，以進行NOMA傳輸。
請參照圖4，其是依據本發明之一實施例繪示的功率分配方法。本實施例的方法可適用於圖1的NOMA系統100，以下即搭配圖1、圖2所示的內容說明圖4所示的各步驟細節。
於步驟S401，處理器230透過收發器210自第一使用者設備121接收第一通道估測誤差參數，並自第二使用者設備122接收第二通道估測誤差參數。於一實施例中，所述第一通道估測誤差參數與所述第二通道估測誤差參數分別為第一使用者設備121與第二使用者設備122對應之通道估測的均方誤差（MSE），並可如前述說明而分別表徵為
Figure 02_image019
與
Figure 02_image021
或
Figure 02_image175
與
Figure 02_image177
；也就是說，第一使用者設備121與第二使用者設備122在進行通道估測之後，分別回報其通道估測的均方誤差給基地台110。
此外，於一實施例中，第一使用者設備121與第二使用者設備122在進行通道估測之後，還可回報其他通道估測結果給基地台110。因此，處理器230可透過收發器210自第一使用者設備接收第一通道估測參數，並自第二使用者設備接收第二通道估測參數。於一實施例中，所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數分別為第一使用者設備121與第二使用者設備122對應之通道衰減係數估測值的變異數；亦即，所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數可如同前述說明而分別表徵為
Figure 02_image065
與
Figure 02_image212
或
Figure 02_image214
與
Figure 02_image216
。
於步驟S402，處理器230配置第一使用者設備121的第一最低傳輸率需求（單位：bps/Hz）與第二使用者設備122的第二最低傳輸率需求（單位：bps/Hz）。也就是說，基於保證第一使用者設備121與第二使用者設備122的QoS，基地台110將配置第一使用者設備121的第一最低傳輸率需求與第二使用者設備122的第二最低傳輸率需求，其中所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求可如同前述說明而分別表徵為
Figure 02_image039
與
Figure 02_image041
，其值可以相同或不同，也可以是預先配置或動態配置，且不以此為限。
於步驟S403，處理器230依據第一通道估測誤差參數、第二通道估測誤差參數、第一最低傳輸率需求與第二最低傳輸率需求決定一功率分配因子。於一實施例中，所述功率分配因子是基於最小化系統中斷機率的上界值而決定，而系統中斷機率的上界值是基於滿足根據所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求而設置的多個限制條件而決定，其中所述限制條件的滿足與否是基於第一使用者設備121的通道容量下界值與第二使用者設備122的通道容量下界值而判定。基於上述原理與需求，於一實施例中，在透過SISO通道進行通訊的情況下，處理器230可依據式（23）而直接計算出所述功率分配因子
Figure 02_image111
，其中
Figure 02_image077
且
Figure 02_image079
；在透過MIMO通道進行通訊的情況下，處理器230可依據式（32）而直接計算出所述功率分配因子
Figure 02_image195
，其中基地台具有 M T個傳送天線，第一使用者設備121與第二使用者設備122各自具有 M R個接收天線， M min為 M R與 M T之間的較小值，
Figure 02_image199
，且
Figure 02_image201
。此外，於一實施例中，所述功率分配因子更可依據第一使用者設備121回報的第一通道估測參數與第二使用者設備122回報的第二通道估測參數而決定。於SISO的通訊環境中，處理器230可依據式（22）而直接計算出所述功率分配因子
Figure 02_image111
，其中
Figure 02_image077
且
Figure 02_image079
；於MIMO的通訊環境中，處理器230可依據式（31）而直接計算出所述功率分配因子
Figure 02_image195
，其中基地台具有 M T個傳送天線，第一使用者設備121與第二使用者設備122各自具有 M R個接收天線， M min為 M T與 M R之間的較小值，
Figure 02_image199
，且
Figure 02_image201
。綜合上述，無論在SISO或MIMO通訊的情況下，處理器230僅需要低計算複雜度即可有效率地決定所述功率分配因子，並提昇NOMA系統於非完美通道估測環境中的效能。
於步驟S404，處理器230依據所獲得的功率分配因子決定第一使用者設備121的第一傳輸功率與第二使用者設備122的第二傳輸功率。也就是說，處理器230可將所述功率分配因子
Figure 02_image111
或
Figure 02_image195
乘上總傳輸功率而獲取所述第一傳輸功率，並將總傳輸功率減去所述第一傳輸功率而獲取所述第二傳輸功率。於此，假設第一使用者設備121的通道增益大於第二使用者設備122的通道增益，因而所述功率分配因子必須大於0且小於1/2。
綜上所述，於本發明的實施例中，針對非完美通道估測的實際情況，為NOMA系統提出一種功率分配方法。相較於基於完美通道估測假設的傳統功率分配方法，本發明藉由依據使用者裝置所回報的通道估測誤差資訊決定功率分配因子，可明顯提昇NOMA系統的效能並更符合現實需求。再者，本發明實施例所提出的功率分配方法可讓各使用者設備享有基本的最低傳輸率，並同時最小化NOMA系統的系統中斷機率的上界值。另外，藉由使用本發明實施例中的公式來決定功率分配因子，可降低計算複雜度並提升效率。
雖然本發明已以實施例揭露如上，但其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可進行些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100:NOMA系統 110:基地台 121:第一使用者設備 122:第二使用者設備 130:涵蓋範圍 141、142、143:區塊 210:收發電路 220:儲存電路 230:處理電路 S301~S309、S401～S404:步驟
圖1是依據本發明一實施例所繪示的NOMA系統示意圖。 圖2是依據本發明一實施例所繪示的基地台的方塊圖。 圖3是依據本發明一實施例所繪示的功率分配方法的第一流程圖。 圖4是依據本發明一實施例所繪示的功率分配方法的第二流程圖。
S401~S404:步驟

Claims (18)

  1. 一種非正交多重接取系統中的功率分配方法，適用於一基地台，所述方法包括： 自第一使用者設備接收第一通道估測誤差參數，並自第二使用者設備接收第二通道估測誤差參數； 配置所述第一使用者設備的第一最低傳輸率需求與所述第二使用者設備的第二最低傳輸率需求； 依據所述第一通道估測誤差參數、所述第二通道估測誤差參數、所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求決定一功率分配因子；以及 依據所述功率分配因子決定所述第一使用者設備的第一傳輸功率與所述第二使用者設備的第二傳輸功率。
  2. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述第一通道估測誤差參數與所述第二通道估測誤差參數分別為所述第一使用者設備與所述第二使用者設備對應之通道估測的均方誤差（mean-squared error，MSE）。
  3. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述第一使用者設備的通道增益大於所述第二使用者設備的通道增益，所述第二傳輸功率大於所述第一傳輸功率，其中依據所述功率分配因子決定所述第一使用者設備的所述第一傳輸功率與所述第二使用者設備的所述第二傳輸功率的步驟包括： 將所述功率分配因子乘上總傳輸功率而獲取所述第一傳輸功率，其中所述功率分配因子大於0且小於1/2；以及 將所述總傳輸功率減去所述第一傳輸功率而獲取所述第二傳輸功率。
  4. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述功率分配因子是基於最小化一系統中斷機率的上界值而決定，而所述系統中斷機率的上界值是基於滿足根據所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求而設置的多個限制條件而決定。
  5. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述基地台透過單輸入單輸出（SISO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image019
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image021
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image137
    其中，
    Figure 03_image077
    ，
    Figure 03_image079
    ，
    Figure 03_image121
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  6. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述基地台透過多輸入多輸出（MIMO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述基地台具有 M T個傳送天線，所述第一使用者設備與所述第二使用者設備各自具有 M R個接收天線， M T與 M R之間的較小值表徵為 M min，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image175
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image177
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image205
    其中，
    Figure 03_image199
    ，
    Figure 03_image201
    ，
    Figure 03_image203
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  7. 如請求項1所述的功率分配方法，其中所述方法更包括： 自所述第一使用者設備接收第一通道估測參數，並自所述第二使用者設備接收第二通道估測參數，其中所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數分別為所述第一使用者設備與所述第二使用者設備對應之通道衰減係數估測值的變異數，且所述功率分配因子更依據所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數而決定。
  8. 如請求項7所述的功率分配方法，其中所述基地台透過單輸入單輸出（SISO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image019
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image021
    ，所述第一通道估測參數表徵為
    Figure 03_image065
    ，所述第二通道估測參數表徵為
    Figure 03_image224
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image113
    其中，
    Figure 03_image077
    ，
    Figure 03_image079
    ，
    Figure 03_image121
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  9. 如請求項7所述的功率分配方法，其中所述基地台透過多輸入多輸出（MIMO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備所述基地台進行通訊，所述基地台具有 M T個傳送天線，所述第一使用者設備與所述第二使用者設備各自具有 M R個接收天線， M T與 M R之間的較小值表徵為 M min，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image175
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image177
    ，所述第一通道估測參數表徵為
    Figure 03_image214
    ，所述第二通道估測參數表徵為
    Figure 03_image226
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image197
    其中，
    Figure 03_image199
    ，
    Figure 03_image201
    ，
    Figure 03_image203
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  10. 一種基地台，適用於服務一非正交多重接取系統中的第一使用者設備與第二使用者設備，所述基地台包括： 一收發器，用以傳送訊息給所述第一使用者設備與所述第二使用者設備； 一儲存電路，儲存多個模組；以及 一處理器，耦接所述儲存電路和所述收發電路，並經配置以存取所述模組和執行以下步驟： 自所述第一使用者設備接收第一通道估測誤差參數，並自所述第二使用者設備接收第二通道估測誤差參數； 配置所述第一使用者設備的第一最低傳輸率需求與所述第二使用者設備的第二最低傳輸率需求； 依據所述第一通道估測誤差參數、所述第二通道估測誤差參數、所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求決定一功率分配因子；以及 依據所述功率分配因子決定所述第一使用者設備的第一傳輸功率與所述第二使用者設備的第二傳輸功率。
  11. 如請求項10所述的基地台，其中所述第一通道估測誤差參數與所述第二通道估測誤差參數分別為所述第一使用者設備與所述第二使用者設備對應之通道估測的均方誤差（mean-squared error，MSE）。
  12. 如請求項10所述的基地台，其中所述第一使用者設備的通道增益大於所述第二使用者設備的通道增益，所述第二傳輸功率大於所述第一傳輸功率，所述處理器經配置以： 將所述功率分配因子乘上總傳輸功率而獲取所述第一傳輸功率，其中所述功率分配因子大於0且小於1/2；以及 將總傳輸功率減去所述第一傳輸功率而獲取所述第二傳輸功率。
  13. 如請求項10所述的基地台，其中所述功率分配因子是基於最小化一系統中斷機率的上界值而決定，而所述系統中斷機率的上界值是基於滿足根據所述第一最低傳輸率需求與所述第二最低傳輸率需求而設置的多個限制條件而決定。
  14. 如請求項10所述的基地台，其中所述基地台透過單輸入單輸出（SISO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image021
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image021
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image137
    其中，
    Figure 03_image077
    ，
    Figure 03_image079
    ，
    Figure 03_image121
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  15. 如請求項10所述的基地台，其中所述基地台透過多輸入多輸出（MIMO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述基地台具有 M T個傳送天線，所述第一使用者設備與所述第二使用者設備各自具有 M R個接收天線， M T與 M R之間的較小值表徵為 M min，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image175
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image177
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image205
    其中，
    Figure 03_image199
    ，
    Figure 03_image201
    ，
    Figure 03_image203
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  16. 如請求項10所述的基地台，其中所述處理器更經配置以： 自所述第一使用者設備接收第一通道估測參數，並自所述第二使用者設備接收第二通道估測參數，其中所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數分別為所述第一使用者設備與所述第二使用者設備對應之通道衰減係數估測值的變異數，且所述功率分配因子更依據所述第一通道估測參數與所述第二通道估測參數而決定。
  17. 如請求項16所述的基地台，其中所述基地台透過單輸入單輸出（SISO）通道與所述第一使用者設備和所述第二使用者設備進行通訊，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image019
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image021
    ，所述第一通道估測參數表徵為
    Figure 03_image065
    ，所述第二通道估測參數表徵為
    Figure 03_image224
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image113
    其中，
    Figure 03_image077
    ，
    Figure 03_image079
    ，
    Figure 03_image121
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
  18. 如請求項16所述的基地台，其中所述基地台透過多輸入多輸出（MIMO）通道與所述第一使用者設備與所述第二使用者設備進行通訊，所述基地台具有 M T個傳送天線，所述第一使用者設備與所述第二使用者設備各自具有 M R個接收天線， M T與 M R之間的較小值表徵為 M min，所述第一最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image039
    ，所述第二最低傳輸率需求表徵為
    Figure 03_image041
    ，所述第一通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image175
    ，所述第二通道估測誤差參數表徵為
    Figure 03_image177
    ，所述第一通道估測參數表徵為
    Figure 03_image214
    ，所述第二通道估測參數表徵為
    Figure 03_image226
    ，且所述功率分配因子表徵為：
    Figure 03_image197
    其中，
    Figure 03_image199
    ，
    Figure 03_image201
    ，
    Figure 03_image203
    ， P T為所述非正交多重接取系統的一總傳輸功率，且 N 0為一雜訊功率。
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