CN106028451B - 一种应用于noma中的用户分组*** - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种应用于NOMA中的用户分组***，属于移动通信技术领域。该***包含以下模块：信道估计模块、信道相似度和增益差计算模块、用户分组模块；信道估计模块用于在用户端估计基站到用户的信道状态，并将所估计的信道状态发送给基站；信道相似度和增益差计算模块用于根据用户端发送给基站的信道状态构建用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵；用户分组模块用于根据从信道相似度和增益差计算模块接收的用户信道相似度矩阵和信道增益差矩阵，并以此为依据构建用来表述分组收益的对称矩阵，利用对称矩阵的特点计算得到用户的最佳分组，并将分组结果输出，用于NOMA技术中的功率分配。本发明可以一次性获得所有用户的最优分组结果，能够很好的解决现有技术中存在的问题。

Description

一种应用于NOMA中的用户分组***
技术领域
本发明属于移动通信技术领域，涉及一种应用于NOMA中的用户分组***。
背景技术
在无线通信***中，随着用户需求增加、智能终端普及应用以及新业务需求增长，无线通信速率已不能满足未来需求，因而需要对资源进行复用。
非正交多址接入(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA),是指将一个资源分配给多个用户，对复用同一个资源的用户分配不同功率，在接收端通过采用串行干扰消除接收机(Successive Interference Receiver,SIC)实现解调。
针对NOMA的研究成果中，已经有用户分组***，其主要思想是根据用户所处小区中的位置，对满足信道条件的用户分配到一组使用NOMA。目前的用户分组***主要有两种：基于信道增益的分组***(类型1，Type 1)和基于消除干扰的分组***(类型2，Type 2)。
类型1用户分组中，基站可以通过用户反馈获得用户的信道状态信息，根据用户信道状态信息获得用户信道增益，通过将用户信道增益按照一定顺序，例如由小到大的顺序排列。将信道增益大的用户与信道增益小的用户分为一组。也有的***根据用户信道增益将用户分为两个集合，不同集合中的用户随机匹配分到一组。该类型分组虽然可以一次性得到所有用户的分组，但是并不能保证分组性能。
在类型2用户分组***中，基站通过用户反馈获得用户信道状态信息，对不同用户间的信道增益差进行计算，为了达到降低干扰的目的，同时计算不同用户之间的信道相似度，设置适用于NOMA用户分组的信道相似度以及信道增益差门限，对于满足信道增益差和相似度门限的用户分到一组。该类型的分组虽然可以将分组性能提升，但是因为采用设置门限的方式，因而需要多次操作才能够获得分组结果。
从上述的相关技术可以看出，针对应用于NOMA的用户分组是指根据用户信道状态对用户进行匹配的***，类型1对于用户分组具有随机性，不能保证得到最好的用户分组情况，增加了接收端正确解码的困难性；类型2虽然对于用户的分组克服了随机性，但是与***1一样，并不能获得最优的用户分组结果，此外，如果需要获得波束赋形下的多组用户分组结果，需要进行多次操作。而在上述相关的技术中，并没有一种技术能在满足得到最优用户分组的前提下一次性获得所有用户分组的结果。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于NOMA中的用户分组***，该***可以一次性获得所有用户的最优分组结果。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种应用于NOMA中的用户分组***，该***包含以下三个模块：信道估计模块、信道相似度和增益差计算模块、用户分组模块；
所述信道估计模块主要用于在用户端估计基站到用户的信道状态，并将所估计的信道状态发送给基站；
所述信道相似度和增益差计算模块主要用于根据用户端发送给基站的信道状态构建用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵；
用户分组模块主要用于根据从信道相似度和增益差计算模块接收的用户信道相似度矩阵和信道增益差矩阵，并以此为依据构建用来表述分组收益的对称矩阵，利用对称矩阵的特点计算得到用户的最佳分组，并将分组结果输出，用于NOMA技术中的功率分配。
进一步，在本***中，信道相似度和增益差计算模块的工作模式为：基站端接收信道估计模块所发送信息，读取各个用户信道的信道状态，构建信道模型，对于单天线，因有其中c为天线远场参考距离处的路径损耗，d表示基站到移动台的距离，表示阴影衰落，并且有此处表示0均值，方差为σ的高斯随机变量，表示莱斯衰落，表示瑞利衰落；因此对于多天线，有进而可以通过用户信道相似度公式用户信道增益差公式对用户相似度和增益差进行计算，通过计算可得不同用户信道相似度和信道增益差，所得结果进行处理后可以提取并表示为用户间信道相似度和信道增益差矩阵，将所得用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵发送给用户分组模块。
进一步，在本***中，用户分组模块的工作模式为：对信道相似度矩阵和信道增益差矩阵进行线性合成，所得矩阵为对称矩阵，利用该矩阵对称性特点，某一行最小元素同为其对应相等元素所在列的最小元素，若某行最小元素同为其对称元素所在行元素，则提取该元素对应的用户编号并将其分为同组用户；利用该矩阵是对称矩阵的特点，利用所设计的分组计算方法对用户进行分组，可以一次性获得所有用户最优分组，并将用户分组结果输出以便NOMA技术中进行功率分配。
进一步，本***具体包括以下步骤：
S1：用户接收到基站广播同步信号，根据同步信号的功率估计信道状态：用户信号的衰减值αdB，环境衰落值βdB，将信道估计的计算结果构建信道状态信息发送给基站；
S2：基站接收到用户发送的信道状态信息后，读取其中值并存入缓存，在接收周期t到达时，读取缓存中所存储的第一个用户信道状态信息，依次读取所存储的第一个到最后一个信道状态信息，带入公式其中||h||表示h的转置矩阵与矩阵h的积的最大特征根的平方根值，是指空间上两个向量矩阵的直线距离；得到的值作为第一个用户与该用户和其他用户的相似度，依次存入矩阵[γij]中，作为该矩阵的第一行；
依次对其他信道状态信息做上述操作，所得结果存入矩阵[γij]所对应的行，直到该矩阵为方阵；对所得的相似度矩阵进行处理，将用户相似度视为自变量，选用：
调节用户信道相似度值，对不同用户相似度值进行调整以便下面步骤中进行矩阵线性合成之用；经过处理后的相似度矩阵为[aij]；
读取缓存中所存储的第一个用户信道状态信息，依次读取所存储的第一个到最后一个信道状态信息，带入公式其中得到的值作为第一个用户与该用户和其他用户处理后的信道增益差，依次存入矩阵[λij]中，作为该矩阵的第一行；
依次对其他信道状态信息做上述操作，所得结果存入矩阵[λij]所对应的行，直到该矩阵为方阵；选用调节用户信道增益差值，所得矩阵为[bij]；
S3：读取方阵[aij]和[bij]，计算所得结果表示为[cij]；
S4：在1到方阵行的最大值之间随机选择一个数，将此数值赋值给k，在矩阵[cij]第k行中找出最小的元素，读取该元素所在的列的标号，将此值赋值给j，判断第j行第k列元素是否为第j行最小元素：
1)如果是，读取用户信号衰减值αj和αk，比较二者大小：
11)若αj＞αk，则分组将分组以[jk]形式存入缓存；
12)若αj＜αk，则分组将分组以[kj]形式存入缓存；
13)去掉原矩阵中k行和第k列，以及j行和j列的全部元素，并判断新得到的矩阵是否为空矩阵：如果是，则分组结束，输出所存储的全部分组结果；如果不是，重复步骤S4；
2)如果不是，则在第j行中找出最小的元素，读取该元素所在的列的标号赋值给k，重复步骤S4；
S5：步骤S4中得到的分组结果准备应用于NOMA中功率分配，等待下一个分组周期并重复步骤S1-S4。
本发明的有益效果在于：本发明提供的一种应用于NOMA中的用户分组***可以一次性获得所有用户的最优分组结果，能够很好的解决现有技术中存在的问题。
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为应用于NOMA的用户分组***流程图；
图2为本发明中信道估计模块的流程图；
图3为本发明中信道相似度和增益差计算模块的流程图；
图4为本发明中用户分组模块的流程图；
图5为实用场景示意图。
具体实施方式
下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。
本实施例中的***中包括基站和小区用户，其中该网络由一个小区以及9个NOMA用户组成，用户分布图如图5所示。
图1为应用于NOMA的用户分组***流程图，本发明通过以下步骤实现应用于NOMA中基于提高吞吐量的用户分组***：
1、用户接收到基站广播同步信号，根据同步信号的功率估计信道的衰减值，第一个用户的信道衰减为110dB,阴影衰落11.7dB，根据衰减可以计算出用户距离基站的距离获知信道状态，后面各个用户重复上述操作，依次接将信道估计的计算结果构建信道状态信息发送给基站。图2为本发明中信道估计模块的流程图。
2、基站接收到用户发送的信道状态信息后，读取其中值并存入缓存，在接收周期t到达时，读取缓存中所存储的第一个用户信道状态信息，依次读取所存储的第一个到最后一个信道状态信息，带入公式得到的值作为第一个用户与该用户和其他用户的相似度，依次存入矩阵[γij]中，作为该矩阵的第一行。
依次对其他信道状态信息做上述操作，所得结果存入矩阵[γij]所对应的行，直到该矩阵为方阵，所得该矩阵为[γij]，对矩阵[γij]进行处理将其中用户相似度作为自变量，经过处理所得矩阵为[aij]，同理计算信道增益差矩阵得到矩阵[bij]对这两个矩阵进行线性处理，计算得到矩阵[cij]。
图3为本发明中信道相似度和增益差计算模块的流程图。
3、在1到方阵行数9之间随机选择一个数，假设为1，在矩阵[cij]第1行中找出最小的元素0.0439，该元素所在的位置为第一行第七列，则判断0.0439是否为第七行最小元素。所以用户1和用户7被分为一组。第一个用户和第七个用户的衰减值α1和α7分别为70dB和110dB，比较二者大小，由于α1＜α7，所以这两个用户以[17]形式存入缓存。去掉原矩阵中1行和第1列，以及7行和7列的全部元素，因为所得到的新矩阵不是空矩阵，继续分组，按照上述步骤最后得到分组结果为[17][25][36][89]4,即用户1和用户7一组，用户2和用户5一组，用户3和用户6一组，用户8和用户9一组，用户4采用OFDM单独一组。图4为本发明中用户分组模块的流程图。
4、上述步骤中得到的分组结果准备应用于NOMA中功率分配，等待下一个分组周期并重复步骤1-3。
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 (1)

1.一种应用于NOMA中的用户分组***，其特征在于：该***包含以下三个模块：信道估计模块、信道相似度和增益差计算模块、用户分组模块；
所述信道估计模块主要用于在用户端估计基站到用户的信道状态，并将所估计的信道状态发送给基站；
所述信道相似度和增益差计算模块主要用于根据用户端发送给基站的信道状态构建用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵；
用户分组模块主要用于根据从信道相似度和增益差计算模块接收的用户信道相似度矩阵和信道增益差矩阵，并以此为依据构建用来表述分组收益的对称矩阵，利用对称矩阵的特点计算得到用户的最佳分组，并将分组结果输出，用于NOMA技术中的功率分配；
在本***中，信道相似度和增益差计算模块的工作模式为：基站端接收信道估计模块所发送信息，读取各个用户信道的信道状态，构建信道模型，对于单天线，有其中h表示下行信道，c为天线远场参考距离处的路径损耗，d表示基站到移动台的距离，表示阴影衰落值，m表示莱斯因子，θ表示小尺度中莱斯信道所引起的相位变化，表示莱斯衰落，z表示瑞利衰落的自然变量取值，根据通信用户所在环境一般取值为0-50，表示瑞利衰落；因此对于多天线，有可以通过用户信道相似度公式用户信道增益差公式对用户相似度和增益差进行计算，通过计算可得不同用户信道相似度和信道增益差，所得结果进行处理后可以提取并表示为用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵，将所得用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵发送给用户分组模块；其中n表示用户总数，i、j分别表示第i、j个用户，hi表示用户i的下行信道，di表示基站到第i个用户移动台的距离，θi表示小尺度中莱斯用户i的信道所引起的相位变化；
在本***中，用户分组模块的工作模式为：对用户信道相似度矩阵和用户信道增益差矩阵进行线性合成，所得矩阵为对称矩阵，利用该矩阵对称性特点，某一行最小元素同为其对应相等元素所在列的最小元素，若某行最小元素同为其对称元素所在行元素，则提取该元素对应的用户编号并将其分为同组用户；利用该矩阵是对称矩阵的特点，利用所设计的分组计算方法对用户进行分组，可以一次性获得所有用户最优分组，并将用户分组结果输出以便NOMA技术中进行功率分配；
基于该***的用户分组方法具体包括以下步骤：
S1：用户接收到基站广播同步信号，根据同步信号的功率估计信道状态：用户信号的衰减值αdB，环境衰落值βdB，将信道估计的计算结果构建信道状态信息发送给基站；
S2：基站接收到用户发送的信道状态信息后，读取其中值并存入缓存，在接收周期t到达时，读取缓存中所存储的第一个用户信道状态信息，依次读取所存储的第一个到最后一个信道状态信息，带入公式其中||h||表示h的转置矩阵与矩阵h的积的最大特征根的平方根值，是指空间上两个向量矩阵的直线距离；得到的值作为第一个用户与该用户和其他用户的相似度，依次存入矩阵[γij]中，作为该矩阵的第一行；
依次对其他信道状态信息做上述操作，所得结果存入矩阵[γij]所对应的行，直到该矩阵的行列数量相等；对所得的相似度矩阵进行处理，将用户相似度视为自变量，选用：
调节用户信道相似度值，对不同用户相似度值进行调整以便下面步骤中进行矩阵线性合成之用；经过处理后的相似度矩阵为[aij]；
读取缓存中所存储的第一个用户信道状态信息，依次读取所存储的第一个到最后一个信道状态信息，带入公式其中得到的值作为第一个用户与该用户和其他用户处理后的信道增益差，依次存入矩阵[λij]中，作为该矩阵的第一行；
依次对其他信道状态信息做上述操作，所得结果存入矩阵[λij]所对应的行，直到该矩阵的行列数量相等；选用调节用户信道增益差值，所得矩阵为[bij]；
S3：读取矩阵[aij]和[bij]，计算所得结果表示为[cij]；
S4：在1到矩阵行的最大值之间随机选择一个数，将此数值赋值给k，在矩阵[cij]第k行中找出最小的元素，读取该元素所在的列的标号，将此值赋值给j，判断第j行第k列元素是否为第j行最小元素：
1)如果是，读取用户信号衰减值αj和αk，比较二者大小：
11)若αj＞αk，则分组将以[jk]形式存入缓存；
12)若αj＜αk，则分组将以[kj]形式存入缓存；
13)去掉原矩阵中k行和第k列，以及j行和j列的全部元素，并判断新得到的矩阵是否为空矩阵：如果是，则分组结束，输出所存储的全部分组结果；如果不是，重复步骤S4；
2)如果不是，则在第j行中找出最小的元素，读取该元素所在的列的标号赋值给k，重复步骤S4；
S5：步骤S4中得到的分组结果准备应用于NOMA中功率分配，等待下一个分组周期并重复步骤S1-S4。
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