CN114302452A - 基于多用户场景的cr-noma通信***性能优化方法 - Google Patents

基于多用户场景的cr-noma通信***性能优化方法 Download PDF

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CN114302452A
CN114302452A CN202210018203.8A CN202210018203A CN114302452A CN 114302452 A CN114302452 A CN 114302452A CN 202210018203 A CN202210018203 A CN 202210018203A CN 114302452 A CN114302452 A CN 114302452A
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申滨
董坤明
蒋慧林
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Chongqing University of Post and Telecommunications
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Chongqing University of Post and Telecommunications
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Abstract

本发明涉及一种基于多用户场景的CR‑NOMA***性能优化方法，属于无线移动通信领域；t1时隙，SS发送叠加信号X(t1)给全双工中继R和第一次级用户D0；R从t1时隙的接收信号中译码获得D0，D1…DM的期望信号，并重新编码信号x0(t1)，x1(t1)，x2(t1)…xM(t1)；t2时隙，SS发送叠加编码X(t2)给R和D1，且R将编码后的信号发送给R，及次级用户D0，D1…DM；D0对接收信号进行最大比合并，并译码信号y0(t2)，Dm(m∈(1，2，…，M))译码接收信号ym(t2)；根据香农公式，计算D0和Dm(m∈(1，2，…，M))的可达速率，并基于中断概率定义，计算用户中断概率；基于近端用户最优功率分配，最大化***总可达速率。

Description

基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法
技术领域
本发明属于无线移动通信领域，涉及认知无线电频谱感知技术和非正交多址接入技术。
背景技术
近年来无线通信技术的快速发展增加了对频谱资源的需求，而许多授权频段的低效率使用进一步凸显了频谱稀缺成为当前亟需解决的问题之一。认知无线电CR技术可以有效缓解静态频谱分配策略与动态频谱需求之间的矛盾，通过实时监测授权用户对于授权频段的占用情况，次级用户能够在不对PU造成干扰的前提下，机会性地接入授权频段进行通信，提高频谱效率。非正交多址接入NOMA***用户通过接收叠加信号，并利用串行干扰消除SIC技术获取自身信号。尽管相比正交多址接入OMA用户接收机的实现复杂度有所提高，但可以获得更高的频谱效率，体现了NOMA技术以接收机复杂度换取频谱效率提升的思想。为了进一步提高频谱效率，将CR技术引入NOMA(CR-NOMA)，次级用户动态性地获得的授权频谱接入机会，***整体吞吐量提升。
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。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日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,对近端用户产生干扰，造成了近端用户通信质量降低。因此提高远端用户的通信质量时，反而使得近端用户通信质量降低。业内一直注重边缘用户的传输速率与服务质量,而忽视了近端用户的通信质量。
综上所述，现有技术存在的问题是：频谱效率需要进一步提高，且传统NOMA中继***中近端用户和远端用户的通信质量难以同时得到保证。
解决上述问题的难度：在提高远端用户的通信质量的同时，要保证近端用户所受影响较小，保证***总体性能的上升。
解决上述技术问题的意义：结合CR、NOMA和全双工技术，在保证用户公平性的基础上，最大化***总可达速率，可以提升***总可达速率和频谱效率。
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多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法，用于提高频谱效率，同时提高近端和远端用户的通信质量。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
第一方面，提供一种基于直传和全双工中继的CR-NOMA通信***性能优化方法，具体包括以下步骤：
S201：t1时隙，SS发送叠加信号X(t1)给全双工中继R和第一次级用户D0；
S202：R从t1时隙的接收信号中译码获得D0，D1…DM的期望信号，并重新编码信号x0(t1)，x1(t1)，x2(t1)…xM(t1)，t2时隙，SS发送叠加编码X(t2)给R和D1，且R将编码后的信号发送给R，及次级用户D0，D1…DM；
S203：D0对接收信号进行最大比合并，并译码信号y0(t2)，Dm(m∈(1，2，…，M))译码接收信号ym(t2)；
S204：根据香农公式，计算D0和Dm(m∈(1，2，…，M))的可达速率，并基于中断概率定义，计算用户中断概率；
S205：基于近端用户最优功率分配，最大化***总可达速率。
进一步，所述步骤第一步和第二步中的SS和R，仅当PD未受到来自SN的干扰时才允许次级通信。因此，SS和R受到的干扰温度限制TITC如下表示
Figure BDA0003460958900000021
Figure BDA0003460958900000022
其中
Figure BDA0003460958900000023
和
Figure BDA0003460958900000024
分别表示SS和R的最大发射功率；
Figure BDA0003460958900000025
是SS和PD之间的信道系数；
Figure BDA0003460958900000026
是R和PD之间的信道系数。
进一步，所述步骤第二步中R采用全双工模式，受到的自干扰为
Figure BDA0003460958900000027
其中PR是R的发射功率，βm是Dm的功率分配因子。
进一步，所述步骤第三步中D1采用非理自干扰消除，D1受到的残余干扰为fR0XM(t-a)，其中
Figure BDA0003460958900000028
进一步，所述步骤第四步中D0，D1…DM的中断概率，当
Figure BDA0003460958900000029
或
Figure BDA00034609589000000210
时，D0；D1…DM的中断概率都等于1，其中
Figure BDA00034609589000000211
Rm表示Dm的目标速率。
进一步，所述步骤第五步中的最大化***总可达速函数为分段函数且目标函数中包含多变量因子，因此KKT方法无法直接应用于此模型中以得到最优的***性能优化方法。因此考虑在穷举搜索算法的基础上进行求解。
第二方面，本申请提供一种电子设备，该电子设备包括：处理器和存储器，所述存储器与所述处理器耦合，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器从所述存储器中读取所述计算机指令，以使得所述电子设备执行如第一方面所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
第三方面，本申请提供一种计算机存储介质，包括计算机指令，当所述计算机指令在终端上运行时，使得所述终端执行如第一方面所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
第四方面，本申请提供一种计算机程序产品，当所述计算机程序产品在计算上运行时，使得所述计算机执行如第一方面所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
本发明的另一目的在于提供一种基于直传和全双工中继的CR-NOMA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CR引入到NOMA***中，提升***的频谱效率，并采用全双工中继，提升译码信号的信噪比，克服了现有技术远端用户通信质量低下的问题，并对近端用户采用最大比合并技术，使得本发明中近端和远端用户的通信质量得到提升，且提升了***总可达速率和频谱效率。
本发明可用于未来无线移动通信的直传和全双工中继的CR-NOMA通信***，满足***中断概率门限和公平性的情况下，提高***的总可达速率和频谱效率，并同时提高近端和远端用户的通信质量。
附图说明
为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作优选的详细描述，其中：
图1为本发明实施例提供的基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法流程图。
图2为本发明实施例提供的基于多用户场景CR-NOMA通信场景示意图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本发明的限制；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图对本发明的应用原理做详细的描述。
如图1所示，本发明实施提供的基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法包括以下步骤：
S201：t1时隙，SS发送叠加信号X(t1)给全双工中继R和第一次级用户D0；
S202：R从t1时隙的接收信号中译码获得D0；D1…DM的期望信号，并重新编码信号x0(t1)，x1(t1)；x2(t1)…xM(t1)，t2时隙，SS发送叠加编码X(t2)给R和D1，且R将编码后的信号发送给R，及次级用户D0，D1…DM；
S203：D0对接收信号进行最大比合并，并译码信号y0(t2)，Dm(m∈(1，2，…，M))译码接收信号ym(t2)；
S204：根据香农公式，计算D0和Dm(m∈(1，2，…，M))的可达速率，并基于中断概率定义，计算用户中断概率；
S205：基于近端用户最优功率分配，最大化***总可达速率。
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多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法在图2的场景下实现的。在图2中，包括一个次级源(secondary source,SS)，多个主发射机(PTs)，一个主要用户(primary destination user,PD)，一个全双工中继(relay,R)，M+1个次级用户D0；D1…DM。假设SS，D0，D1…DM都为单天线，R为双天线(一个用于接收信号，一个用于发送信号)。用hSP和hRP分别表示SS和R与PD之间的信道系数。
Figure BDA0003460958900000041
表示SS，R，D0，D1…DM之间的信道系数，其中
Figure BDA0003460958900000042
不同的信道系数之间是独立的、同分布的，并将其建模为0均值圆对称复高斯随机变量。假设所有接收机都受到均值为0和方差为σ2的加性高斯白噪声(additive white Gaussian noise,AWGN)影响。主网络(primarynetwork,PN)对次级网络(secondary network,SN)用户的干扰用IPS表示，其均值为0，方差为τσ2，其中τ∈(0，1)。假设仅当PD未受到来自SN的干扰时才允许次级通信。因此，SS和R的干扰温度限制(interference temperature constraint,ITC)为TITC。
本发明实施提供的基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法具体包括以下步骤：
S201：t1时隙SS发送叠加信号X(t1)。
在第t1时隙，SS的叠加信号为
Figure BDA0003460958900000051
其中xm(t1)和x0(t1)分别是Dm(m∈(1，2，…，M))和D0的期望信号，且E(|x0(t1)|2)＝E(|xm(t1)|2)＝1；α0和αm分别是D0和Dm的功率分配系数，满足
Figure BDA0003460958900000052
α0＜α1＜…＜αM；PSS表示SS的发射功率。
S202：R从t1时隙的接收信号中译码获得D0，D1…DM的期望信号，并重新编码信号x0(t1)，x1(t1)，x2(t1)…xM(t1)；t2时隙，SS发送叠加编码X(t2)给R和D0，且R将编码后的信号发送给R，及次级用户D0，D1…DM。
在t1时隙，中继R的接收信号为
yR(t1)＝gSRXM+1(t1)+IPS+nR(t1)
其中
Figure BDA0003460958900000053
是SS和R之间的信道系数，IPS表示PN对SN的干扰，nR(t1)是R上的AWGN。
在t2时隙，R的接收信号为
Figure BDA0003460958900000054
其中
Figure BDA0003460958900000055
表示R的自干扰信道系数，
Figure BDA0003460958900000056
PR表示R的发射功率，βk是Dk(k∈(0；1，2，…，M))的功率分配系数，满足
Figure BDA0003460958900000057
β0＜β1＜…＜βM，
Figure BDA0003460958900000058
nR(t2)是R上的AWGN。
R解码xm(t1)的信噪比
Figure BDA0003460958900000059
其中
Figure BDA00034609589000000510
是SS的发射信噪比，
Figure BDA00034609589000000511
是R的发射信噪比。
S203：D0，D1…DM译码接收信号。
t1时隙D0的接收信号为
y0(t1)＝gS0XM+1(t1)+IPS+n0(t1)
其中
Figure BDA0003460958900000061
是SS和D0之间的信道系数，n0(t1)是D0上的AWGN，为了简洁起见，假设所有次级接收节点都遭受来自于PN的干扰IPS。
根据NOMA技术解码原理，D0需要采用SIC技术先依次解码DM，DM-1…D1的期望信号，然后依次消除，最后才解码自己的期望信号。因此D0可以使用SIC过程中获得的边信息xm(t2)消除在y0(t2)中的干扰信息
Figure BDA0003460958900000062
但是我们考虑了一种更现实的情况，即干扰消除不理想且存在残余干扰。所以t2时隙D0的接收信号为
Figure BDA0003460958900000063
其中
Figure BDA0003460958900000064
表示R和D0之间的自干扰信道系数，
Figure BDA0003460958900000065
其中xm(t2)和x0(t2)分别是Dm(m∈(1，2，…，M))和D0的期望信号，且E(|x0(t2)|2)＝E(|xm(t2)|2)＝1，n0(t2)是D0上的AWGN。
在t2时隙，D0分别从SS和R发送的叠加信号中译码自己期望信号x0(t1)和x0(t2)的信噪比分别可以表示为
Figure BDA0003460958900000066
Figure BDA0003460958900000067
在D0处采用最大比率合并，因此D0处总的信噪比可以表示为
Figure BDA0003460958900000068
D0解码信号xm(t2)的信号与干扰加噪声
Figure BDA0003460958900000069
t2时隙Dm处的接收信号为
Figure BDA00034609589000000610
其中
Figure BDA0003460958900000071
是R和Dm之间的信道系数，nm(t2)是Dm上的AWGN。
Di(1≤i≤m≤M)译码xm(t2)的信噪比为
Figure BDA0003460958900000072
S204：根据香农公式，计算D1和D2的可达速率，并基于中断概率定义，计算用户中断概率。
根据香农公式，推导用户的可达速率表达式。t2时隙D0和Dm的可达速率分别为
Figure BDA0003460958900000073
和
Figure BDA0003460958900000074
当传输过程中实际可达数据速率低于目标速率时，传输发生中断，中断概率是衡量时延敏感传输的重要性能指标。这里假设r0和rm是根据服务质量预设D0和Dm的可达速率门限，同时为了便于计算，定义
Figure BDA0003460958900000075
D0解码信号分为两种情况，第一种情况是R解码Dj(j∈(1，…；M))的期望信号失败；第二种情况是R成功解码Dj(j∈(1，…，M))的期望信号，D2解码自己的期望信号x0(t2)失败。
D0的中断概率为
Figure BDA0003460958900000076
其中
Figure BDA0003460958900000077
Dm解码信号分为两种情况，第一种情况是R解码Dj(j∈(m+1，…，M))的期望信号失败；第二种情况是R成功解码Dj(j∈(m+1，…，M))的期望信号，D2解码自己的期望信号xm(t2)失败。
当
Figure BDA0003460958900000078
和
Figure BDA0003460958900000079
时，Dm的OP为
Figure BDA0003460958900000081
当
Figure BDA0003460958900000082
或
Figure BDA0003460958900000083
时，Dm的OP为
Figure BDA0003460958900000084
S205：满足***公平性和用户中断概率门限，最大化***总可达速率。
最大化***总可达速率，根据多用户场景的CR-NOMA通信***的特性，满足用户中断概率门限，可以得到该***的优化目标函数和约束条件如下
Figure BDA0003460958900000085
Figure BDA0003460958900000086
F＝F*
Figure BDA0003460958900000087
Figure BDA0003460958900000088
Figure BDA0003460958900000089
其中C0和Cm分别表示D0和Dm的可达速率，k0表示D0***的中断概率门限,
Figure BDA00034609589000000810
和
Figure BDA00034609589000000811
分别表示D0和Dm的中断概率，
Figure BDA00034609589000000812
表示***公平性因子。
该方法的基本思想如下：由于D0为小区中心用户，分配较少的功率资源。假设SS在t1和t2时隙发送叠加信号的功率分配方案相同。若αM＝x，则x≥0.5。令αM按照确定的步长在[0.5，1)递增取值，根据信道条件信息得出α0<α1…αM，
Figure BDA00034609589000000813
可以得到αm-1对应的搜索区间为
Figure BDA00034609589000000814
依次可以得到Dm所有满足条件的功率分配(n,M)矩阵PA，最后得到α0对应的搜索区间为
Figure BDA00034609589000000815
通过OP门限和可达速率门限，进一步计算α0的搜索区间，两者取交集得出α0的搜索区间[a，b]；同理可得R处Dm所有满足条件的功率分配(n,M)矩阵PB和β0的搜索区间[c，d]，然后根据二分搜索法找到满足***公平指数因子F*情况下的***最优传输分配方案，最后利用排序算法找出能够使***总速率最大化的功率分配方案。
该方法流程如下所示
Figure BDA0003460958900000091
Figure BDA0003460958900000101
本申请实施例还提供一种计算机可读存储介质，该计算机可读存储介质可以包括计算机程序或指令，当该计算机程序或指令在计算机上运行时，使得该计算机执行上述实施例所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
本申请实施例提供一种计算机程序产品，包括计算机程序或指令，当该计算机程序或指令在计算机上运行时，使得该计算机执行上述实施例所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
上述实施例可以全部或部分通过软件、硬件、固件或者任意组合实现。当使用软件程序实现时，上述实施例可以全部或部分地以计算机程序产品的形式出现，计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载和执行计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本申请实施例的流程或功能。
应该理解到，所揭露的***，装置和方法，可以通过其它的方式实现，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如，多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个***，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，装置或单元的间接耦合或通信连接，可以是电性，机械或其它的形式。
所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (10)

1.一种基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法，其特征在于，该方法具体包括以下步骤：
S201：t1时隙，SS发送叠加信号X(t1)给全双工中继R和第一次级用户D0；
S202：R从t1时隙的接收信号中译码获得D0，D1...DM的期望信号，并重新编码信号x0(t1)，x1(t1)，x2(t1)....xM(t1)，t2时隙，SS发送叠加编码X(t2)给R和D1，且R将编码后的信号发送给R，及次级用户D0，D1...DM；
S203：D0对接收信号进行最大比合并，并译码信号y0(t2)，Dm(m∈(1；2；…；M))译码接收信号ym(t2)；
S204：根据香农公式，计算D0和Dm(m∈(1，2，…，M))的可达速率，并基于中断概率定义，计算用户中断概率；
S205：基于近端用户最优功率分配，最大化***总可达速率。
2.如权利要求1所述的一种基于多用户场景的CR-NOMA通信***性能优化方法，其特征在于，所述第二步中的R传输方式为R根据功率分配因子重新编码译码后的信号,并将编码后的信号发送给R，及D0，D1...DM。
3.如权利要求1所述的一种CR-NOMA通信***性能优化方法，其特征在于，所述第二步中的R和第三步中D0的非理想消除自干扰信号，会受到残余干扰的影响。
4.如权利要求1所述的一种CR-NOMA通信***性能优化方法，其特征在于，所述第四步中的中断概率是当传输过程中实际可达数据速率低于目标速率的概率。
5.如权利要求1所述的一种CR-NOMA通信***性能优化方法，其特征在于，所述第五步中的最大化***总可达速率是保证用户公平性的情况下，进行最大化***总可达速率。
6.如权力要求5所述的最大化***总可达速率时最优功率分配方案，其特征在于，***总可达速率为分段函数且目标函数中包含多变量因子，因此KKT方法无法直接应用于此模型中以得到最优的***性能优化方法。
7.如权力要求5所述的最大化***总可达速率时最优功率分配方案，其特征在于，在贪婪算法及二分法基础上提出了一种用户公平性及时间功率联合分配的***性能优化方法。
8.一种电子设备，其特征在于，包括：处理器和存储器，所述存储器与所述处理器耦合，所述存储器用于存储计算机程序代码，所述计算机程序代码包括计算机指令，当所述处理器从所述存储器中读取所述计算机指令，以使得所述电子设备执行如权利要求1～7中任一项所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
9.一种计算机存储介质，其特征在于，包括计算机指令，当所述计算机指令再终端上运行时，使得所述终端执行如权利要求1～7中任一项所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
10.一种计算机程序产品，其特征在于，当所述计算机程序产品在计算上运行时，使得所述计算机执行如权利要求1～7中任一项所述的CR-NOMA通信***性能优化方法。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115022953A (zh) * 2022-05-30 2022-09-06 昆明理工大学 一种面向cr-noma***的动态功率分配方法

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CN115022953A (zh) * 2022-05-30 2022-09-06 昆明理工大学 一种面向cr-noma***的动态功率分配方法

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