CN110881010A - 统计csi辅助的多用户noma下行传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，首先基站利用上行导频信号估计出非理想信道状态信息，并根据非理想信道状态信息，将用户划分为多个簇；然后根据非理想信道状态信息计算规则化迫零预编码发送矩阵，其中规则化因子的计算基于统计信道状态信息；最后基于统计信道状态信息设计最优的发送功率分配因子。本发明在满足***中弱用户速率约束的条件下，使***中所有用户的总传输速率最大化，***中规则化因子与功率分配因子仅依赖于统计信道状态信息，该方法在提高***总传输速率的同时，有效降低了***实现复杂度。

Description

统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法

技术领域

本发明涉及一种统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，属于无线通信技术领域。

背景技术

移动通信技术发展到今天，频谱资源也变得越来越紧张了。同时，为了满足飞速增长的移动业务需求，人们已经开始在寻找既能满足用户体验需求又能提高频谱效率的新的移动通信技术。在这种背景下，人们提出了非正交多址技术((Non-orthogonal MultipleAccess,NOMA))。非正交多址技术(NOMA)的基本思想是在发送端采用非正交发送，主动引入干扰信息，在接收端通过串行干扰删除(SIC)接收机实现正确解调。虽然，采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好地提高频谱效率。采用NOMA技术可以在同一时间和频率资源内，同时为多个用户服务，可以解决目前频谱资源日益紧张的问题。因此，NOMA技术被广泛的应用于通信***中。然而，如何进行波束设计和功率分配就成为目前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种统计CSI(信道状态信息)辅助的多用户NOMA(非正交多址接入)下行传输方法，能够提高***总传输速率，降低***实现复杂度。

本发明提供一种统计CSI(信道状态信息)辅助的多用户NOMA(非正交多址接入)下行传输方法，该方法的***包括一个多天线的基站和多个单天线的用户，该方法包括以下步骤：

S1、在统计信道状态信息辅助的多用户NOMA下行传输***中，基站利用上行导频信号估计出非理想信道状态信息，并根据非理想信道状态信息，将用户划分为多个簇；转至步骤S2；

S2、根据非理想信道状态信息计算规则化迫零预编码发送矩阵，其中规则化因子的计算基于统计信道状态信息；转至步骤S3；

S3、基于统计信道状态信息设计最优的发送功率分配因子。

本发明以小区总吞吐量最大化为目标，同时考虑了小区用户的公平性，设计一种统计信道状态信息辅助的多用户NOMA下行传输方法。该方法适用于单小区多用户NOMA下行无线传输***，***中包括一个多天线的基站和多个单天线的用户，多个用户被划分为多个簇。该方法基于“最大化总速率”原则，并根据统计信道状态信息，设计了最优的规则化迫零预编码因子和功率分配因子。

作为本发明的进一步技术方案，步骤S1的具体方法如下：

S101、假设基站有N根天线，***中共有M个单天线用户，***调度的用户总数为2K，其中M＞＞2K，并且2K＞N，那么当所有用户向基站发送导频信号后，基站估计出每个用户的非理想信道状态信息，第k个用户的非理想信道状态信息可表示为，

其中，k∈[1，M]，

是用户k的估计信道，其向量大小为1×N，β_k表示第k个用户的大尺度衰落系数，τ_k表示信道估计的准确度参数，且τ_k∈[0，1]，z_k、q_k均表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值和方差1/N的独立同分布，(.)^H表示向量的共轭转置；转至步骤S102；

S102、根据上述非理想信道状态信息，采用如下方案对所有用户分簇，则第k个簇中的用户需满足如下条件，

Corr_k≥θ_k,|β_k，1-β_k，2|≥β_k，0

其中，Corr_k表示第k个簇中用户1和用户2信道之间的相关性,β_k，1表示第k个簇中用户1的大尺度衰落系数，β_k，2表示第k个簇中用户2的大尺度衰落系数，β_k,0表示第k个簇中大尺度衰落的阈值，θ_k表示第k个簇中相关性系数的阈值，

和

是大小为1×N的向量，

表示第k个簇中强用户的估计信道，

表示第k个簇中弱用户的估计信道，

与

意思相同，一个是行的形式，一个是列的形式。

步骤S2中发送端基于非理想信道状态信息设计规则化迫零预编码发送矩阵的具体方法如下：

S201、假设

和

是大小为1×N的向量，分别表示第k个簇中强用户和弱用户的估计信道；转至步骤S202；

S202、设K×N的规则化迫零预编码矩阵G表示为

其中，

表示所有强用户非理想信道矩阵且

表示

的共轭转置，ξ表示归一化参数，α表示规则化因子，I_N表示大小为N的单位矩阵，(.)^-1表示矩阵求逆；转至步骤S203；

S203、设ξ表示为使基站发射功率满足约束的归一化参数，且需要满足的功率限制为

tr{GG^H}≤NP,P＞0

又可表示为

其中，G^H表示K×N的规则化迫零预编码矩阵G的共轭转置，P表示基站的发送总功率，

tr(.)表示矩阵求迹。

上述步骤中，规则化因子α基于总速率最大化原则设计，仅依赖于统计信道状态信息，其中统计信道状态信息是指θ_k,β_k,1,β_k,2,τ_k等。

步骤S3的具体方法如下：

设第k个簇中强用户的最优发送功率分配因子为

弱用户的最优发送功率分配因子为

则采用如下公式计算

其中，R_k,0为第k个簇中弱用户需要满足的最小传输速率，θ_k表示第k个簇中强用户与弱用户信道的相关性，ρ为信噪比且

(P表示站的发送总功率，σ²表示噪声功率)，

τ_k是信道估计参数且τ_k∈[0,1]，α表示正则迫零预编码的正则化参数，

表示所有强用户的大尺度衰落因子，e_k表示一个需要计算的标量，η是一个K×1的向量，Θ是一个K×K的矩阵；转至步骤S302；

进一步的，矩阵Θ中第k行第l列的元素可按下式计算，

矩阵Θ中第k行第l列的元素可按下式计算，

其中，e_k表示一个需要计算的标量。

进一步的，向量η中第k个元素的计算公式如下：

其中，e_k表示一个需要计算的标量。

进一步的，e_k可以通过定点迭代法计算，具体步骤如下：

步骤(a)首先初始化，令t＝1，对所有的

(k∈[1,K])赋值为1，即

其中

表示e_k的第t次迭代值，执行步骤(b)；

步骤(b)将步骤(a)所得的

带入如下公式，计算出

其中，β_k,1表示第k个簇中强用户的大尺度衰落系数，α表示正则迫零预编码的正则化参数；

(c)由步骤(b)的公式计算可得

进而判断其是否满足如下条件，

其中，ε表示判断算法收敛程度的阈值，若条件不满足，令t＝t+1，重新执行步骤(b)；若满足，则可得到最终结果

k＝1,2,......,K。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

(1)本发明考虑到非理想的信道状态信息，更加地贴合实际应用场景，并利用规则化迫零预编码进行预编码设计，优于传统迫零预编码；

(2)本发明基于统计信道状态信息，给出了最佳的功率分配因子的表达式，由于基于统计信道状态信息设计，本发明能适应快速变化的信道，相比于传统的方法，具有更高的实用价值。

总之，本发明在满足***中强用户速率约束的条件下，使***中所有用户的总传输速率最大化，***中规则化因子与功率分配因子仅依赖于统计信道状态信息，该方法在提高***总传输速率的同时，有效降低了***实现复杂度。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护权限不限于下述的实施例。

本实施例提出了一种统计信道状态信息辅助的多用户NOMA下行传输方法，该方法的***包括一个多天线的基站和多个单天线的用户，多个用户被划分为多个簇；该方法包括以下步骤：

S1、在统计信道状态信息辅助的多用户NOMA下行传输***中，基站利用上行导频信号估计出非理想信道状态信息，并根据非理想信道状态信息，将用户划分为多个簇。其具体方法如下：

S101、假设基站有N根天线，***中共有M个单天线用户，***调度的用户总数为2K，其中M＞＞2K，并且2K＞N，那么当所有用户向基站发送导频信号后，基站估计出每个用户的非理想信道状态信息，第k个用户的非理想信道状态信息可表示为，

其中，k∈[1，M]，

是用户k的估计信道，其向量大小为1×N，β_k表示第k个用户的大尺度衰落系数，τ_k表示信道估计的准确度参数，且τ_k∈[0，1]，z_k、q_k均表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值和方差1/N的独立同分布，(.)^H表示向量的共轭转置；

S102、根据上述非理想信道状态信息，采用如下方案对所有用户分簇，则第k个簇中的用户需满足如下条件，

Corr_k≥θ_k,|β_k，1-β_k，2|≥β_k，0

其中，Corr_k表示第k个簇中用户1和用户2信道之间的相关性,β_k，1表示第k个簇中用户1的大尺度衰落系数，β_k，2表示第k个簇中用户2的大尺度衰落系数，β_k,0表示第k个簇中大尺度衰落的阈值，θ_k表示第k个簇中相关性系数的阈值，

和

是大小为1×N的向量，

表示第k个簇中强用户的估计信道，

表示第k个簇中弱用户的估计信道。

S2、根据非理想信道状态信息计算规则化迫零预编码发送矩阵，其中规则化因子的计算基于统计信道状态信息。其中，发送端基于非理想信道状态信息设计规则化迫零预编码发送矩阵。其具体方法如下：

S201、假设

和

是大小为1×N的向量，分别表示第k个簇中强用户和弱用户的估计信道；转至步骤S202；

S202、设K×N的规则化迫零预编码矩阵G表示为

其中，

表示所有强用户非理想信道矩阵且

表示

的共轭转置，ξ表示归一化参数，α表示规则化因子，I_N表示大小为N的单位矩阵，(.)^-1表示矩阵求逆；

S203、设ξ表示为使基站发射功率满足约束的归一化参数，且需要满足的功率限制为

tr{GG^H}≤NP,P＞0

又可表示为

其中，G^H表示K×N的规则化迫零预编码矩阵G的共轭转置，P表示基站的发送总功率，

tr(.)表示矩阵求迹。

规则化因子α基于总速率最大化原则设计，仅依赖于统计信道状态信息，其中统计信道状态信息是指θ_k,β_k,1,β_k,2,τ_k等。

S3、基于统计信道状态信息设计最优的发送功率分配因子。其具体方法如下：

设第k个簇中强用户的最优发送功率分配因子为

弱用户的最优发送功率分配因子为

则采用如下公式计算

其中，R_k,0为第k个簇中弱用户需要满足的最小传输速率，θ_k表示第k个簇中强用户与弱用户信道的相关性，ρ为信噪比且

(P表示站的发送总功率，σ²表示噪声功率)，

τ_k是信道估计参数且τ_k∈[0,1]，α表示正则迫零预编码的正则化参数，

表示所有强用户的大尺度衰落因子，e_k表示一个需要计算的标量，η是一个K×1的向量，Θ是一个K×K的矩阵，矩阵Θ中第k行第l列的元素可按下式计算，

其中，e_k表示一个需要计算的标量。

向量η中第k个元素的计算公式如下：

其中，e_k表示一个需要计算的标量，ek可以通过定点迭代法计算，具体步骤如下：

步骤(a)首先初始化，令t＝1，对所有的

(k∈[1,K])赋值为1，即

执行步骤(b)；

步骤(b)将步骤(a)所得的

带入如下公式，计算出

其中，β_k,1表示第k个簇中强用户的大尺度衰落系数，α表示正则迫零预编码的正则化参数；

(c)由步骤(b)的公式计算可得

进而判断其是否满足如下条件，

其中，ε表示判断算法收敛程度的阈值，若条件不满足，令t＝t+1，重新执行步骤(b)；若满足，则可得到最终结果

k＝1,2,……,K。

以上所述，仅为本发明中的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可理解想到的变换或替换，都应涵盖在本发明的包含范围之内，因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (7)

1.一种统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，该方法的***包括一个多天线的基站和多个单天线的用户；该方法包括以下步骤：

S1、基站利用上行导频信号估计出非理想信道状态信息，并根据非理想信道状态信息，将用户划分为多个簇；转至步骤S2；

S2、根据非理想信道状态信息计算规则化迫零预编码发送矩阵，其中规则化因子的计算基于统计信道状态信息；转至步骤S3；

S3、基于统计信道状态信息设计最优的发送功率分配因子。

2.根据权利要求1所述的统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，步骤S1的具体方法如下：

S101、假设基站有N根天线，***中共有M个单天线用户，***调度的用户总数为2K，其中M＞＞2K，并且2K＞N，那么当所有用户向基站发送导频信号后，基站估计出每个用户的非理想信道状态信息，第k个用户的非理想信道状态信息可表示为，

其中，k∈[1，M]，

是用户k的估计信道，其向量大小为1×N，β_k表示第k个用户的大尺度衰落系数，τ_k表示信道估计的准确度参数，且τ_k∈[0，1]，z_k、q_k均表示N×1的复高斯随机向量，其元素都服从0均值和方差1/N的独立同分布，(.)^H表示向量的共轭转置；转至步骤S102；

S102、根据上述非理想信道状态信息，对所有用户分簇，则第k个簇中的用户需满足如下条件，

Corr_k≥θ_k,|β_k，1-β_k，2|≥β_k，0

其中，Corr_k表示第k个簇中用户1和用户2信道之间的相关性,β_k，1表示第k个簇中用户1的大尺度衰落系数，β_k，2表示第k个簇中用户2的大尺度衰落系数，β_k,0表示第k个簇中大尺度衰落的阈值，θ_k表示第k个簇中相关性系数的阈值，

和

是大小为1×N的向量，

表示第k个簇中强用户的估计信道，

表示第k个簇中弱用户的估计信道。

3.根据权利要求2所述的统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，步骤S2中发送端基于非理想信道状态信息设计规则化迫零预编码发送矩阵的具体方法如下：

S201、假设

和

是大小为1×N的向量，分别表示第k个簇中强用户和弱用户的估计信道；转至步骤S202；

S202、设K×N的规则化迫零预编码矩阵G表示为

其中，

表示所有强用户非理想信道矩阵且

表示

的共轭转置，ξ表示归一化参数，α表示规则化因子，I_N表示大小为N的单位矩阵；转至步骤S203；

S203、设ξ表示为使基站发射功率满足约束的归一化参数，且需要满足的功率限制为

tr{GG^H}≤NP,P＞0

又可表示为

其中，G^H表示K×N的规则化迫零预编码矩阵G的共轭转置，P表示基站的发送总功率，

tr(.)表示矩阵求迹。

4.根据权利要求3所述的统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，步骤S3的具体方法如下：

设第k个簇中强用户的最优发送功率分配因子为

弱用户的最优发送功率分配因子为

则采用如下公式计算

其中，R_k,0为第k个簇中弱用户需要满足的最小传输速率，θ_k表示第k个簇中强用户与弱用户信道的相关性，ρ为信噪比且

P表示站的发送总功率，σ²表示噪声功率，

τ_k是信道估计参数且τ_k∈[0,1]，α表示正则迫零预编码的正则化参数，

表示所有强用户的大尺度衰落因子，e_k表示一个需要计算的标量，η是一个K×1的向量，Θ是一个K×K的矩阵；转至步骤S302。

5.根据权利要求4所述统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，矩阵Θ中第k行第l列的元素可按下式计算，

其中，e_k表示一个需要计算的标量。

6.根据权利要求5所述的统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，向量η中第k个元素的计算公式如下：

其中，e_k表示一个需要计算的标量。

7.根据权利要求6所述的统计CSI辅助的多用户NOMA下行传输方法，其特征在于，e_k可以通过定点迭代法计算，具体步骤如下：

步骤(a)首先初始化，令t＝1，对所有的

赋值为1，即

执行步骤(b)；

步骤(b)将步骤(a)所得的

带入如下公式，计算出

其中，β_k,1表示第k个簇中强用户的大尺度衰落系数，α表示正则迫零预编码的正则化参数；

(c)由步骤(b)的公式计算可得

进而判断其是否满足如下条件，

其中，ε表示判断算法收敛程度的阈值，若条件不满足，令t＝t+1，重新执行步骤(b)；若满足，则可得到最终结果

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