CN110212967B - 基于noma的全双工中继协作通信***性能优化方法 - Google Patents

基于noma的全双工中继协作通信***性能优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于无线移动通信技术领域，公开了一种基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法；基站以广播的形式发送叠加编码给中继节点和近端用户；中继节点译码接收信号并重新编码转发，中继节点从接收信号中译码近端用户和远端用户的信号；中继节点重新编码译码后的信号，并将编码后的混合信号广播给远端用户和近端用户；基站和中继节点采用最大比传输的方式对信号进行预编码后发送给近端用户；近端用户、远端用户译码接收信号近端用户采用SIC的方法译码接收信号；远端用户直接译码自身的信号；最小化***中断概率和最大化***最小可达速率。本发明近端用户的速率得到了提升，提升了***总的可达速率。

Description

基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法
技术领域
本发明属于无线移动通信技术领域，尤其涉及一种基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法。
背景技术
目前，最接近的现有技术：鉴于互联网和物联网业务的高速发展，无线通信的业务需求日益增长，随着移动用户接入数越来越多，频谱效率的提高成为当前亟需解决的问题之一。作为下一代移动通信的候选多址接入技术的NOMA技术，获得了越来越多的关注，不同于以往的正交多址(Orthogonal Multiple Access(OMA))技术，只能为一个用户分配单一的无线资源，例如按频率分割或按时间分割。NOMA允许同一小区的多个用户同时共享相同的信道资源，并通过分配不同的功率来实现功率复用，接收端根据信道条件通过串行干扰消除(Serial Interference Cancellation(SIC))消除来自其他用户的干扰进而解码自身的信号。这样的接入方式不仅带来了更高的频谱效率，小区边缘的容量也得到了提升，同时弱化了信道反馈的信道状态信息以及低时延。
协作通信技术是对抗路径损失、信道衰落和阴影效应的有效技术，它可以有效地增加通信覆盖区域并提升用户的服务质量(Quality ofService(QoS))。在协作通信***中，通过利用中继节点转发源节点的信号，可以获得类似于MIMO***的空间分集增益，称之为协作分集。中继节点的工作模式可以分为全双工模式和半双工模式。当中继节点采用半双工模式时，中继节点在接收和发送时只能限制在正交信道上，使得频谱利用效率较低，而当中继节点采用全双工模式时，中继节点仅需要一条端到端的信道进行传输，使全双工协作协议相比半双工协作协议可以获得更高的容量性能。然而由于中继节点处于全双工模式时，只有一根接收天线的目的节点在理想情况下同时接收到来自中继链路和直达链路的信号，造成了传统的最大比合并的方式不适用于此处，而且传统NOMA协作中继***中中继节点处只转发译码出的单一信号，造成了近端用户速率的降低。中继***中继节点只转发了单一信号，而没有转发混合信号，使得近端用户信号强度较弱，通过转发混合信号与使用最大比传输方式，可以使得信干噪比增加。业内一直注重边缘用户的传输速率与服务质量，而忽视了中心用户的传输速率。
综上所述，现有技术存在的问题是：传统NOMA协作中继***中中继节点处只转发译码出的单一信号，造成近端用户速率的降低。
解决上述技术问题的难度：在提高近端用户速率的同时，要保证边缘用户所受影响较少，保证总体速度的上升。
解决上述技术问题的意义：在针对现代部分服务质量需求高的业务，可以提供较高的速率。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法。
本发明是这样实现的，一种基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法，所述基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法包括：
第一步，基站以广播的形式发送叠加编码给中继节点和近端用户；
第二步，中继节点译码接收信号并重新编码转发，中继节点从接收信号中译码近端用户和远端用户的信号；中继节点根据新的功率分配因子重新编码译码后的信号，并将编码后的混合信号广播给远端用户和近端用户；
第三步，基站和中继节点采用最大比传输的方式对信号进行预编码后发送给近端用户，近端用户接收来自协作链路和直达链路的信号；
第四步，近端用户、远端用户译码接收信号近端用户采用SIC的方法译码接收信号；远端用户直接译码自身的信号；
第五步，最小化***中断概率和最大化***最小可达速率。
进一步，所述第二步中的中继节点传输方式为中继节点根据新的功率分配因子重新编码译码后的信号，并将编码后的混合信号广播给远端用户和近端用户。
进一步，所述第三步中的基站和中继节点对信号进行处理的方法为基站和中继节点采用最大比传输的方式对信号进行预编码后发送给近端用户，近端用户接收来自协作链路和直达链路的信号。
进一步，所述第五步中的最小化***中断概率时最优中继功率分配是按照下式进行的：
Figure BDA0002042428160000031
其中：
A＝λsrPs(1-α1-α1γ2，T)；
B＝γ2,TkλLI；
Figure BDA0002042428160000032
其中，
Figure BDA0002042428160000033
是最优中继功率，λsr是基站到中继节点的信道方差，Ps是基站处的发射功率，α1是基站处分配给近端用户的功率因子，γ2,T是远端用户译码自身信号的目标信干噪比，k是全双工自干扰消除因子，λLI是中继节点采用全双工模式通信时的自干扰信道方差，δr 2是中继节点处的噪声方差，λr2是中继节点到远端用户的信道方差。
进一步，所述第五步中的最大化***最小速率是按照下式进行的：
Figure BDA0002042428160000034
Figure BDA0002042428160000041
其中，
Figure BDA0002042428160000042
表示中继节点的最优功率分配，
Figure BDA0002042428160000043
表示基站处近端用户的最优功率分配因子，RU1(·)表示近端用户的可达速率，α1表示基站处近端用户的功率分配因子，Ps表示基站处功率，hs1表示基站到近端用户的信道增益，δ1 2表示近端用户的噪声方差，RU2(·)表示远端用户的可达速率，RU2'(·)表示远端用户译码自身信号的可达速率，RU2”(·)表示中继节点译码远端用户信号时的可达速率，α2表示基站处远端用户的功率分配因子，hsr表示基站到中继节点的信道增益，k是全双工自干扰消除因子，Pr表示中继节点的发射功率，hLI表示全双工中继节点的环路自干扰信道增益，δr 2是中继节点处的噪声方差，
Figure BDA0002042428160000044
表示最优基站功率分配因子，hr2表示中继节点到远端用户的信道增益，δ2 2是远端用户的噪声方差，|·|2表示取绝对值的平方操作，min(·)表示取最小值的操作。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法的基于非正交多址的全双工中继协作通信***。
本发明的另一目的在于提供一种应用所述基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法的无线移动通信***。
综上所述，本发明的优点及积极效果为：本发明将中继节点处转发单一信号优化为转发译码后重新编码的混合信号，通过转发额外的混合信号，提升译码信号的自干噪比，克服了现有技术中近端用户收到单一的其他用户的信号从而对解码自己信号造成干扰的不足，使得本发明中近端用户的速率得到了提升，提升了***总的可达速率。其中在相同信噪比的情况下，可达速率可以提高1bit/Hz,而在速率相同时，信噪比增益大约为2dB左右。
本发明在中继节点和近端用户处采用了最大比传输的方式，解决了NOMA全双工中继协作通信***中近端用户不能采用最大比合并的方式以获得最大信噪比的问题，使得本发明在不需要最大比合并的情况下依然能使近端用户获得最大的信干噪比。
本发明可用于未来无线移动通信的NOMA全双工中继协作通信***，以降低***的中断概率以及提高***的最小可达速率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法流程图。
图2是本发明实施例提供的NOMA全双工中继协作通信场景示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
针对传统NOMA协作中继***中中继节点处只转发译码出的单一信号，造成近端用户速率降低的问题。本发明针对非正交多址全双工中继协作通信***提供一种性能优化方法，可以降低***的中断概率以及提高***的最小可达速率，以提高非正交多址全双工中继协作通信***的整体性能。
下面结合附图对本发明的应用原理作详细的描述。
如图1所示，本发明实施例提供的基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法包括以下步骤：
S101：基站发送叠加编码，中继节点译码接收信号并重新编码转发；
S102：近端用户接收协作、基站两路信号，最小化***中继概率和最大化***最小可达概率。
下面结合附图对本发明的应用原理作进一步的描述。
本发明实施例提供的基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法在图2的场景下实现的。在图2中，基站、近端用户和远端用户都设有一根天线，中继节点设有两根天线，基站采用全双工模式发射信号，近端用户、远端用户和中继节点都采用全双工模式接收和发射信号。图2中h_sr、h_s1、h_r1、h_r2分别表示基站到中继节点、基站到近端用户、中继节点到近端用户、中继节点到远端用户的信道参数，h_LI表示中继节点全双工环路自干扰信道参数，
Figure BDA0002042428160000061
表示中继节点发送的混合信号，BS、U1、U2分别表示基站、近端用户1、远端用户2。基站向中继节点发送信号，中继节点以全双工模式采用译码转发方式对接收的信号进行译码并重新编码转发，近端用户、远端用户接收通过中继节点转发的信号。
本发明实施例提供的基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法具体包括以下步骤：
步骤一，基站发送叠加编码：
根据NOMA的原理，基站首先以广播的形式发送以下形式的叠加编码给中继节点和近端用户。近端用户接收到的信号形式如下：
Figure BDA0002042428160000062
其中，yu1(t)表示在t时刻近端用户收到的信号，hs1表示基站到近端用户的信道增益，α1表示基站处近端用户的功率分配因子，Ps表示基站的发射功率，x1(t)表示在t时刻基站发射的近端用户的信号，x2(t)表示在t时刻基站发射的远端用户的信号n1(t)分别表示近端用户处的噪声。
步骤二，中继节点译码接收信号并重新编码转发：
(2a)中继节点译码接收信号，中继节点根据SIC的原理分别译码两个用户的信号，首先把近端用户的信号当做干扰，译码信道条件差的远端用户的信号，然后根据SIC的原理消除远端用户的信号干扰，直接译码近端用户的信号。
(2b)中继节点重新编码并转发混合信号，中继节点根据NOMA的原理以新的功率分配因子重新编码译码得到的两个用户的信号，并将新的混合信号分别广播给远端用户和近端用户，新的信号形式如下：
Figure BDA0002042428160000071
其中，x(t)是t时刻新的混合信号，β1是中继节点处近端用户新的功率分配因子，Pr是中继节点的发射功率，x1(t)和x2(t)分别是中继节点译码得到的近端用户和远端用户的信号。
步骤三，近端用户接收协作、直达两路信号：
基站和中继节点处采用最大比传输的方式对信号进行预编码后发送给近端用户，近端用户接收来自协作链路和直达链路的两路信号。其中，最大比传输同样可以实现最大的接收端信干噪比。
步骤四，近端用户、远端用户译码接收信号：
(4a)近端用户译码接收信号，近端用户先把自己的信号当做干扰，译码远端用户的信号，然后根据SIC的原理去除远端用户的信号干扰，在只有环境噪声的情况下译码自己的信号。
(4b)远端用户译码接收信号，远端用户直接把近端用户当做干扰，译码自己的信号。
步骤5，最小化***中断概率和最大化***最小可达速率：
(5a)最小化***中断概率，根据NOMA全双工中继协作通信***的特性，以及推出的***中断概率的表达式，可以得到该***的优化目标函数和约束条件如下：
min Pout (1)
s.t.α1＝C； (2)
Pr＞0； (3)
其中公式(1)为优化目标函数，表示在满足约束条件下***的最小中断概率；公式(2)～(3)为约束条件，其中(2)表示功率分配因子为常数，(3)表示中继节点处功率必须为正值。求解上述优化问题即可得最小化***中断概率时的中继处最优功率分配表达式。
(5b)最大化***最小可达速率，根据***可达速率的定义，以及推出的***中各个用户的可达速率的表达式，得到该***最小可达速率的优化目标函数和约束条件如下：
max Rmin(α1,Pr)＝min{Ru1(α1,Pr),Ru2(α1,Pr)} (4)
s.t.0≤α1≤1 (5)
0≤Pr≤Pr_max (6)
其中公式(4)为优化目标函数，表示在满足约束条件下***的最小速率最大化问题；公式(5)～(6)为约束条件，其中(5)表示基站处功率分配因子α1的范围为0～1之间，(6)表示中继节点处功率Pr的范围为0～Pr_max，其中Pr_max表示中继节点处的最大发射功率。
下面结合证明对本发明的应用原理作进一步的描述。
Ru2'(α1,Pr)≥Ru2”(α1,Pr)；
其中，Ru2'(α1,Pr)表示中继节点处译码远端用户的信号时的可达速率，Ru2”(α1,Pr)表示远端用户处译码自身信号时的可达速率。
假设最优α1和Pr分别为α1 *,Pr *，则：
Rmin(α1 *,Pr *)＝min{Ru2'(α1 *,Pr *),Ru2”(α1 *,Pr *)}；
假设：
Figure BDA0002042428160000081
则：
Figure BDA0002042428160000082
必然存在另一个功率分配因子(α1 *,Pr ～)，其中，Pr ～＝Pr *-ε，ε表示一个极小的正数，使得下式仍然成立：
Figure BDA0002042428160000091
一方面，对于固定的α1，Ru1(α1,Pr)随Pr的降低不变，即Ru1(α1 *,Pr ～)＝Ru1(α1 *,Pr *)；另一方面，对于固定的α1，Ru2(α1,Pr)随Pr的降低而升高，即Ru2(α1 *,Pr ～)＞Ru2(α1 *,Pr *)，由此可得，Rmin(α1 *,Pr ～)≥Rmin(α1 *,Pr *)
这与假设矛盾，所以可以得出以下结论：
Ru2'(α1,Pr)≥Ru2”(α1,Pr)；
则上述优化问题可化简为如下式子：
Figure BDA0002042428160000092
最后经过简单推导可得出优化问题的解。
通过实验仿真结果，本方案相较发送单一符号的传输方案，可提升1bit/Hz的性能，另外在速率相同时，可获得2dB的信号增益。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法，其特征在于，所述基于NOMA的全双工中继协作通信***性能优化方法包括：
第一步，基站以广播的形式发送叠加编码给中继节点和近端用户；
第二步，中继节点译码接收信号并重新编码转发，中继节点从接收信号中译码近端用户和远端用户的信号；中继节点根据新的功率分配因子重新编码译码后的信号，并将编码后的混合信号广播给远端用户和近端用户；
第三步，基站和中继节点采用最大比传输的方式对信号进行预编码后发送给近端用户，近端用户接收来自协作链路和直达链路的信号；
第四步，近端用户、远端用户译码接收信号，近端用户采用SIC的方法译码接收信号；远端用户直接译码自身的信号；
第五步，最小化***中断概率和最大化***最小可达速率；
所述第五步中的最小化***中断概率时最优中继功率分配是按照下式进行的：
Figure FDA0003234239670000011
其中：
A＝λsrPs(1-α1-α1γ2,T)；
B＝γ2,TkλLI；
Figure FDA0003234239670000012
其中，
Figure FDA0003234239670000013
是最优中继功率，λsr是基站到中继节点的信道方差，Ps是基站处的发射功率，α1是基站处分配给近端用户的功率因子，γ2,T是远端用户译码自身信号的目标信干噪比，k是全双工自干扰消除因子，λLI是中继节点采用全双工模式通信时的自干扰信道方差，δr 2是中继节点处的噪声方差，λr2是中继节点到远端用户的信道方差；
所述第五步中的最大化***最小速率是按照下式进行的：
Figure FDA0003234239670000021
Figure FDA0003234239670000022
其中，
Figure FDA0003234239670000023
表示中继节点的最优功率分配，
Figure FDA0003234239670000024
表示基站处近端用户的最优功率分配因子，α1表示基站处近端用户的功率分配因子，Ps表示基站处功率，hs1表示基站到近端用户的信道增益，δ1 2表示近端用户的噪声方差，hsr表示基站到中继节点的信道增益，k是全双工自干扰消除因子，Pr表示中继节点的发射功率，hLI表示全双工中继节点的环路自干扰信道增益，δr 2是中继节点处的噪声方差，hr2表示中继节点到远端用户的信道增益，δ2 2是远端用户的噪声方差，|·|2表示取绝对值的平方操作，min(·)表示取最小值的操作。
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