TWI628969B - 聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台 - Google Patents

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Abstract

本發明提供一種聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台，適用於合作式非正交多重接取（non-orthogonal multiple access；NOMA）系統。本發明之方法包括下列步驟：依據基地台與 個使用者裝置之間的 個通道增益對使用者裝置進行排序，並建立包含 個使用者裝置之強用戶候選者群組與包含 個使用者裝置之弱用戶候選者群組；對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應的功率分配係數，以將該 個使用者裝置區分成 個群組；以及依據該 個群組對應的功率分配係數，傳送訊息給該

Description

聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台
本發明是有關於一種聯合用戶分組與功率分配方法，且特別是有關於一種適用於下行鏈路合作式非正交多重接取（non-orthogonal multiple access；NOMA）系統中的聯合用戶分組與功率分配方法。
由於非正交多重接取（non-orthogonal multiple access；NOMA）技術在相同頻寬資源下可提供比傳統正交多重接取技術更高的傳輸效率，其已被視為第五代無線通訊系統的多重接取候選技術之一。
在NOMA系統當中，用戶多工可以在傳輸端的功率域中進行，而後在接收端使用連續性干擾消除（successive interference cancellation；SIC）技術將多用戶訊號分離開來。具體而言，假設具有較差通道條件的使用者裝置為系統中的弱用戶，而具有較佳通道條件的使用者裝置為系統中的強用戶。為了能夠在各個使用者裝置端正確地解調出基地台傳送的多用戶訊號，NOMA系統為弱用戶配置較多的傳輸功率，使強用戶可執行SIC技術解碼出其本身的訊號。值得注意的是，強用戶在執行SIC程序期間，可偵測出基地台欲傳送給弱用戶的訊號，故已有安排強用戶充當基地台與弱用戶之間的中繼節點技術，以改善弱用戶的訊號接收品質。
此技術主要是將合作式的通訊系統架構與NOMA技術相結合，故又可稱為合作式NOMA系統。然而，目前相關技術皆是假定合作式NOMA系統中的使用者裝置的傳輸功率為固定的，以簡化性能分析。
除此之外，為了將NOMA系統應用到實際的環境當中，多重用戶干擾亦為其中一個需要克服的問題。雖然已有將使用者裝置區分成多個群組來減輕多用戶干擾的技術，但目前仍尚未有針對合作式NOMA系統中的使用者裝置提出相關的使用者分組演算法。
因此，在已知合作式NOMA系統可提升系統性能的情況下，如何在系統中將多個使用者裝置適當的分成多個群組，並同時提供功率分配係數方面的優化，實為本領域技術人員所關心的議題之一。
本發明提供一種聯合用戶分組與功率分配方法，適用於合作式NOMA系統中一基地台傳送訊息給區分成 個群組的 個使用者裝置，其中 為大於等於2的偶數且 。此方法包括下列步驟：依據基地台與 個使用者裝置之間的通道增益由大至小對 個使用者裝置進行排序；設置排序靠前的 個使用者裝置為強用戶候選者群組，且設置其他 個使用者裝置為弱用戶候選者群組；將該強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與該弱用戶候選者群組中的每一者配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率，以將該 個使用者裝置區分成 個群組；以及依據配對完成後之該 個群組中使用者裝置對應的傳輸功率，傳送訊息給該 個使用者裝置。
在本發明的一實施例中，其中在配對的過程同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的方法為：對上述每一配對組合，在最大化兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率，其中該群組接收訊雜比例如是該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比中最小者，但並不以此為限；該兩個使用者裝置中之第一使用者裝置的第一通道增益大於第二使用者裝置的第二通道增益；該些傳輸功率包括欲傳送給該第一使用者裝置的第一訊號的第一傳輸功率、欲傳送給該第二使用者裝置的第二訊號的第二傳輸功率，以及欲從該第一使用者裝置轉送該第二訊號之解碼結果給該第二使用者裝置的第三傳輸功率；該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率的總和小於等於一總傳輸功率，且該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率分別大於0，再者該第二傳輸功率大於該第一傳輸功率；以及該群組接收訊雜比包括在第一使用者裝置端解碼出第一訊號的第一訊雜比，在第一使用者裝置端解碼出第二訊號的第二訊雜比，以及在第二使用者裝置端解碼出第二訊號的第三訊雜比。
在本發明的一實施例中，其中對上述每一配對組合，在最大化兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的步驟包括：設置對應之第一傳輸功率為總傳輸功率的 倍，對應之第二傳輸功率為總傳輸功率的 倍，以及對應之第三傳輸功率為總傳輸功率的 倍，其中 為第一功率分配係數且 ， 為第二功率分配係數且 ；將對應之第一訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數的第一函式，將對應之第二訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第二函式，且將對應之第三訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第三函式；限制該第一函式與該第二函式的第一交叉點等同於該第一函式與該第三函式的第二交叉點，以取得關連於該第一功率分配係數的三次函式；對該三次函式求解，其中一個解為該第一功率分配係數的最佳解；將該第一功率分配係數的最佳解代入第二函式，以計算該第二功率分配係數的最佳解；以及基於該第一功率分配係數的最佳解計算該第一傳輸功率，基於該第二功率分配係數的最佳解計算該第二傳輸功率，且基於該第一功率分配係數的最佳解與該第二功率分配係數的最佳解計算該第三傳輸功率。
在本發明的一實施例中，其中該第一函式為該第一功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第二函式與該第三函式皆為該第一功率分配係數的嚴格遞減函式。
在本發明的一實施例中，其中該第二函式為該第二功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第三函式為該第二功率分配係數的嚴格遞減函式。
在本發明的一實施例中，其中將該強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與該弱用戶候選者群組中的每一者配對，以將該 個使用者裝置區分成 個群組的步驟包括：將強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者配對，並計算對應於各個配對組合之等效接收訊雜比，其中該等效接收訊雜比例如是該兩個使用者裝置所對應之該第二訊雜比與該第三訊雜比中較小者加上該第一訊雜比，但並不以此為限；以及依據所計算出之等效接收訊雜比，將該 個使用者裝置區分成 個群組。
在本發明的一實施例中，其中依據所計算出之等效接收訊雜比，將該 個使用者裝置區分成 個群組的步驟包括：為強用戶候選者群組中的每一者選出具有最大等效接收訊雜比的第一配對組合以及具有第二大等效接收訊雜比的第二配對組合；為該強用戶候選者群組中的每一者計算該最大等效接收訊雜比與該第二大等效接收訊雜比之差，稱為等效訊雜比損失；從該強用戶候選者群組中選取具有該最大等效訊雜比損失的使用者裝置之該第一配對組合為該 個群組之一；將被選取之該第一配對組合中的強使用者裝置與弱使用者裝置分別自強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組中刪除；以及重複上述步驟，直到該強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組皆為空。
本發明提供一種基地台，適用於合作式NOMA系統。此基地台包括收發電路、儲存電路以及處理電路。收發電路用以傳送訊息給區分成 個群組的 個使用者裝置，其中 為大於等於2的偶數且 。儲存電路儲存多個程式碼。處理電路耦接收發電路和儲存電路，並且經配置以執行如下操作：依據基地台與 個使用者裝置之間的通道增益由大至小對該 個使用者裝置進行排序；設置排序靠前的 個使用者裝置為強用戶候選者群組，且設置其他 個使用者裝置為弱用戶候選者群組；將強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與弱用戶候選者群組中的每一者配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率，以將該 個使用者裝置區分成 個群組；以及依據配對完成後之該 個群組對應的傳輸功率，傳送訊息給該 個使用者裝置。
在本發明的一實施例中，其中處理電路進一步經配置以執行：對上述每一配對組合，在最大化兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數傳輸功率，其中該群組接收訊雜比例如是該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比中最小者，但並不以此為限；該兩個使用者裝置中之第一使用者裝置的第一通道增益大於第二使用者裝置的第二通道增益；該些傳輸功率包括欲傳送給該第一使用者裝置的第一訊號的第一傳輸功率、欲傳送給該第二使用者裝置的第二訊號的第二傳輸功率，以及欲從該第一使用者裝置轉送該第二訊號之解碼結果給該第二使用者裝置的第三傳輸功率；該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率的總和小於等於一總傳輸功率，且該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率分別大於0，再者該第二傳輸功率大於該第一傳輸功率；以及該群組接收訊雜比包括在第一使用者裝置端解碼出第一訊號的第一訊雜比，在第一使用者裝置端解碼出第二訊號的第二訊雜比，以及在第二使用者裝置端解碼出第二訊號的第三訊雜比。
在本發明的一實施例中，其中處理電路進一步經配置以執行：設置對應之第一傳輸功率為總傳輸功率的 倍，對應之第二傳輸功率為總傳輸功率的 倍，以及對應之第三傳輸功率為總傳輸功率的 倍，其中 為第一功率分配係數且 ， 為第二功率分配係數且 ；將對應之第一訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數的第一函式，將對應之第二訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第二函式，且將對應之第三訊雜比表徵為具有該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第三函式；限制該第一函式與該第二函式的第一交叉點等同於該第一函式與該第三函式的第二交叉點，以取得關連於該第一功率分配係數的三次函式；對該三次函式求解，其中一個解為該第一功率分配係數的最佳解；將該第一功率分配係數的最佳解代入第二函式，以計算該第二功率分配係數的最佳解；以及基於該第一功率分配係數的最佳解計算該第一傳輸功率，基於該第二功率分配係數的最佳解計算該第二傳輸功率，且基於該第一功率分配係數的最佳解與該第二功率分配係數的最佳解計算該第三傳輸功率。
在本發明的一實施例中，其中該第一函式為該第一功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第二函式與該第三函式皆為該第一功率分配係數的嚴格遞減函式。
在本發明的一實施例中，其中該第二函式為該第二功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第三函式為該第二功率分配係數的嚴格遞減函式。
在本發明的一實施例中，其中處理電路進一步經配置以執行：將強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者配對，並計算對應於各個配對組合之等效接收訊雜比，其中該等效接收訊雜比例如是該兩個使用者裝置所對應之該第二訊雜比與該第三訊雜比中較小者加上該第一訊雜比，但並不以此為限；以及依據所計算出之等效接收訊雜比，將該 個使用者裝置區分成 個群組。
在本發明的一實施例中，其中處理電路進一步經配置以執行：為強用戶候選者群組中的每一者選出具有最大等效接收訊雜比的第一配對組合以及具有第二大等效接收訊雜比的第二配對組合；為該強用戶候選者群組中的每一者計算該最大等效接收訊雜比與該第二大等效接收訊雜比之差，稱為等效訊雜比損失；從該強用戶候選者群組中選取具有該最大等效訊雜比損失的使用者裝置之該第一配對組合為該 個群組之一；將被選取之該第一配對組合中的強使用者裝置與弱使用者裝置分別自強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組中刪除；以及重複上述步驟，直到該強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組皆為空。
基於上述，本發明實施例提出一種聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台；此方法之基地台依據系統中的各個使用者裝置的通道增益先將使用者裝置區分為強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組，接著依據該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者所構成之各配對組合對應的一群組接收訊雜比來計算功率分配係數與傳輸功率，然後依據各配對組合對應的一等效接收訊雜比來決定最後使用者裝置的分組，進而提供一種快速的方法來尋找次佳的使用者配對組合。綜合言之，本發明所提供的技術可有效降低下行鏈路合作式NOMA系統中使用者分組的複雜度，亦可有效提升其傳輸效能與系統容量。
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，並配合所附圖式提供詳細說明如下。
圖1是依據本發明之一實施例繪製的下行鏈路合作式NOMA系統示意圖。在本發明的實施例中，下行鏈路合作式NOMA系統100，包含基地台110與將區分成 個群組的 個使用者裝置（即，群組120_1、…、120_N與使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K），其中不同的群組被分配正交的資源，且每一個群組包含共享相同通道資源的兩個使用者裝置。因此，下行鏈路合作式NOMA系統100中的使用者裝置的個數 為大於等於2的偶數（即， 且 為偶數），且 。
除此之外，在實際的應用當中，基地台110和使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K可分別配置有 及 根天線，以形成多輸入多輸出NOMA（MIMO-NOMA）的下行鏈路系統100，其中 及 可為任意大於1的正整數。然而，在接下來的實施例中，本發明的基地台110和使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K僅以單一天線作示例性的說明，以簡化系統架構。
在本實施例中，使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K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。
在本實施例中，基地台110可包含（但不限於），例如，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。
自硬件觀點，基地台110可至少包括（但不限於）收發電路、處理電路以及視情況選用的儲存電路。收發電路可包含傳送器電路、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/接收功能給所述K個使用者裝置（即，使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K）。儲存電路例如是記憶體、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。
處理電路經組態以處理數位訊號且執行本發明的例示性實施例中所提出方法的功能、處理程序或方法步驟。此外，處理電路可視情況耦接至記憶體電路以存儲程式碼、裝置組態、碼簿、緩衝的或永久資料等。處理電路的功能可使用諸如微處理器、微控制器、DSP晶片、FPGA等可程式化單元來實施。處理電路的功能亦可用獨立電子裝置或IC實施，且處理電路亦可用硬件或軟件實施。
另一方面，由於下行鏈路合作式NOMA系統100在每一個群組中包含兩個傳輸階段，分別為NOMA階段與中繼階段，將在以下詳細描述對應於各個階段的系統模型。
首先，在NOMA階段中，假設使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K中的任意兩個使用者裝置被分配至同一群組，例如，第 個使用者裝置與第 個使用者裝置被分配至第 個群組（其中 ）。由於在同一群組中的兩個使用者裝置共享相同的通道，基地台110欲傳送給在第 個群組中的第 個使用者裝置與第 個使用者裝置的訊號可以表示為： ， 等式（1） 其中 和 分別為傳送訊號 和 給第 個使用者裝置與第 個使用者裝置的傳輸功率。需說明的是，資料訊號可被正規化為 ，其中 表示統計期望值。
另外，在第 個使用者裝置接收到的訊號可以表示為： ， 等式（2） 其中 表示為基地台110與第 個使用者裝置之間的傳輸通道，在此假設傳輸通道為全局（global）的通道狀態資訊（channel state information）， 則表示在第 個使用者裝置的接收雜訊， 例如為附加白高斯雜訊（additive white Gaussian noise；AWGN），但本發明並未對此有所限制。
值得注意的是，在此假設的第 個使用者裝置的通道增益大於第 個使用者裝置的通道增益（即， ），故定義第 個使用者裝置為強用戶，而第 個使用者裝置為弱用戶。根據NOMA技術的原理，對於強用戶的訊號的傳輸功率分配應小於對於弱用戶的訊號的傳輸功率分配（即 ）。於是，對於弱用戶來說，由強用戶的訊號引起的微小干擾可以視為是雜訊，故可直接解碼出其本身的資料訊號。而強用戶則可以透過SIC程序簡單的移除已解碼出的弱用戶的訊號。在不失一般性的情況下，所有的雜訊變異數假設皆為相同且可表示為 ，但本發明並未對此有所限制。因此，在SIC程序期間，對於強用戶（第 個使用者裝置）解碼弱用戶（第 個使用者裝置）的訊號 的接收訊雜比（signal to noise ratio；SNR）可以表示為： 等式（3）
在弱用戶（第 個使用者裝置）的訊號 經解碼且被移除後，對於強用戶（第 個使用者裝置）解碼其本身的資料訊號 的接收訊雜比可以表示為： 等式（4）
接下來，在中繼階段中，解碼與轉傳（decode-and-forward）策略將應用至強用戶端，以幫助轉傳解碼出的訊號 給弱用戶。因此，對於第 個使用者裝置在中繼階段中接收到的訊號可以表示為： ， 等式（5） 其中 為自強用戶端傳送訊號 給第 個使用者裝置的傳輸功率， 為在第 個使用者裝置與第 個使用者裝置之間的瑞雷衰退通道（Rayleigh fading channel）係數， 則表示在第 個使用者裝置的接收雜訊， 例如為附加白高斯雜訊，但本發明並未對此有所限制。
在此階段之後，第 個使用者裝置例如可以採用最大比率組合（maximum ratio combining；MRC）結合在NOMA階段與在中繼階段中接收到的訊號，但本發明並未對此有所限制。因此，對於弱用戶（第 個使用者裝置）解碼其本身的訊號 的接收訊雜比可以表示為： 等式（6）
綜合上述兩個傳輸階段，當第 個使用者裝置與第 個使用者裝置被分配為同一個群組的等效接收訊雜比可以表示為： 等式（7）
更進一步地，若為下行鏈路合作式NOMA系統100定義一個二位元指示符變數 來指示 個使用者裝置的分組方式： 等式（8） 且假設 個使用者裝置根據其本身的通道增益由大到小依次排序（即， ），則下行鏈路合作式NOMA系統100整體的等效接收訊雜比可以表示為： 等式（9）
為了能夠有效提升下行鏈路合作式NOMA系統100的性能，本發明希望透過為使用者裝置適當的分配傳輸功率並結合較佳的使用者分組方式來最大化系統整體的等效接收訊雜比。在此情況下，結合使用者分組與功率分配等限制條件來最大化下行鏈路合作式NOMA系統100整體的等效接收訊雜比的最佳化問題，可以表示為： 等式（10a） 等式（10b） 等式（10c） 等式（10d） 等式（10e） 其中 表示特定群組分配的配對矩陣， 表示功率分配矩陣。在此最佳化問題中，等式（10b）及（10c）用以保證使用者裝置可與其本身以外的僅一個使用者裝置配對。等式（10d）為對於單一群組的總傳輸功率限制。等式（10e）反應基地台110與強用戶使用非0的傳輸功率來傳送訊號的事實。
為了能夠在最佳化等式（10）的情況下尋求較佳的使用者分組方式以及關連於各個使用者裝置的功率分配方法，本發明在此將假設能夠在最大化任一群組中的兩個使用者裝置的一群組接收訊雜比的情況下計算兩個使用者裝置對應的傳輸功率。之後，再尋找可達到等式（10a）的使用者分組的配對組合。
在本實施例中，本發明透過最佳化等式（7）所示的等效接收訊雜比來計算第 個群組中兩個使用者裝置對應的傳輸功率，其中 。需說明的是，對於一給定的群組，基於在強用戶端使用了解碼與轉傳策略，需要強用戶完整的解碼出基地台110欲傳送給弱用戶的訊號，同時基地台110還應當向強用戶和弱用戶提供足夠的接收SNR以對其本身的訊號進行解碼。因此，從公平的角度來看，透過以下等式（11）最大化單一群組接收訊雜比，亦可獲得上述等式（7）所示的等效接收訊雜比： 等式（11a） 等式（11b） 等式（11c）
依據等式（11a），所述第 個群組中的第 個使用者裝置與第 個使用者裝置對應的傳輸功率，包括欲傳送給第 個使用者裝置的訊號 的傳輸功率 、欲傳送給第 個使用者裝置的訊號 的傳輸功率 ，以及將從第 個使用者裝置傳送訊號 給第 個使用者裝置的傳輸功率 。依據等式（11b）與（11c），傳輸功率 、 及 的總和小於等於一總傳輸功率 ，傳輸功率 、 及 分別大於0，且 大於 。除此之外，上述群組接收訊雜比包括在第 個使用者裝置端解碼出訊號 的訊雜比 ，在第 個使用者裝置端解碼出訊號 的訊雜比 ，以及在第 個使用者裝置端解碼出訊號 的訊雜比 。
為了更清楚說明如何利用等式（11）在最大化任一群組中兩個使用者裝置之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置的傳輸功率，圖2顯示了依據本發明之一實施例所繪製的計算使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的方法流程圖，且圖2的方法可由基地台110執行。
在步驟S210中，基地台110設置傳輸功率 為總傳輸功率 的 倍，傳輸功率 為總傳輸功率 的 倍，以及傳輸功率 為總傳輸功率 的 倍。在本實施範例中， 為傳輸功率 的功率分配係數，且 。 為傳輸功率 的功率分配係數，且 。
在步驟S220中，基地台110將訊雜比 表徵為具有功率分配係數 的第一函式 ，將訊雜比 表徵為具有功率分配係數 與功率分配係數 的第二函式 ，且將訊雜比 表徵為具有功率分配係數 與功率分配係數 的第三函式 。
在本實施例中，關於第一函式 、第二函式 及第三函式 的表示方式分別可參照以下等式（12）、（13）及（14）。 等式（12） 等式（13） 等式（14）
基此，關於本實施例的最大化單一群組接收訊雜比的最佳化問題，亦可以 及 的函式表示，如以下所示： 等式（15a） 等式（15b） 等式（15c）
值得注意的是，由於第一函式 為功率分配係數 的一嚴格遞增函式，而第二函式 及第三函式 皆為功率分配係數 的一嚴格遞減函式，所以就數學的角度而言，第二函式 及第三函式 將會與於第一函式 有兩個交叉點，分別可表示為： ， 等式（16） ……等式（17）
除此之外，第二函式 為功率分配係數 的一嚴格遞增函式，而第三函式 為具有 的功率分配係數 的一嚴格遞減函式。上述 條件即表示由於採用具有解碼與轉傳中繼的MRC技術在弱用戶的兩個階段期間組合接收訊號，對於兩個階段的通道道增益應當具有足夠的強度來提供足夠好的用於檢測的訊號品質。在此情況下，當等式（16）與（17）相等時，將可使等式（15a）的目標函式最大化。
因此，在步驟S230中，基地台110限制第一函式 與第二函式 的第一交叉點等同於第一函式 與第三函式 的第二交叉點，以取得關連於功率分配係數 的一三次函式（cubic function）。
在本實施例中，此三次函示可以表示為 ，其中 、 、 及 。
在步驟S240中，基地台110對三次函式求解，其中此三次函式的解的其中之一為功率分配係數 的最佳解 。
在本實施例中，將使用三角（trigonometric）方法對三次函示求解，但本發明並不僅限於此。此三次函式的三種解可以表示為： 等式（18） 等式（19） 等式（20） 其中 且 。
本發明透過將判別式表示為 以檢查上述三次函式的解。當 時，三次函式具有一實數根及兩個共軛複數根。當 時，三次函式具有三個實數根。當 時，三次函式具有三個不同的實數根。由於 顯示三次函式至少具有一個正的實數根，且 顯示其他兩個根的實部是負的。換言之，在所述三種解當中，僅有一個解可以作為功率分配係數，故可獲得功率分配係數 的最佳解 為： 等式（21）
在步驟S250中，基地台110透過將功率分配係數 的最佳解 代入第二函式 ，以計算功率分配係數 的最佳解 。在本實施例中，將等式（21）代入等式（16），即可機算出功率分配係數 的最佳解 為： 等式（22）
在步驟S260中，基地台110基於功率分配係數 的最佳解 計算出傳輸功率 ，基於功率分配係數 的最佳解 計算出傳輸功率 ，以及基於功率分配係數 的最佳解 及功率分配係數 的最佳解 計算出傳輸功率 。
據此，經由上述步驟S210~S260，基地台110即可在最大化單一群組接收訊雜比的情況下，計算出一群組中兩個使用者裝置對應的最佳傳輸功率（即，傳輸功率 、 以及 ）。除此之外，對於被分配為同一群組的兩個使用者裝置的等效接收訊雜比亦可在將功率分配係數 的最佳解 及功率分配係數 的最佳解 分別代入等式（12）~（14）後經由等式（7）而獲得。
接下來，在決定出對於單一群組內兩個使用者裝置對應的最佳傳輸功率之後，基地台110將尋找可達到等式（10a）的使用者分組的配對組合。
值得注意的是，由於已決定出單一群組內兩個使用者裝置對應的最佳傳輸功率，為了較佳地分配使用者裝置至每一個群組，在此考慮給定一使用者對在等式（12）中的目標函數的特定值 ，即，當 時，功率分配係數 可以表示為： 等式（23）
當 時，將等式（23）代入等式（13），功率分配係數 可以表示為： 等式（24）
此外，在將等式（23）及（24）代入等式（14），將可獲得以下條件來實現 ： 等式（25）
等式（25）暗示了在強用戶與弱用戶之間的通道增益 必須大於某個特定的值，以取得一定的性能。此外，由於 ，等式（25）的下限之分母也必須大於0，因而可推得 。也就是說，當傳送的訊雜比 增加，可減小了在強用戶與弱用戶之間的通道增益 的下限來達到特定值 ，將使得 可容易的符合等式（25）的條件。因此，對於給定一使用者對的接收訊雜比的上限可以表示為： 等式（26）
等式（26）的上限顯示出所述使用者對應的接收訊雜比僅取決於在基地台與強用戶之間傳送的訊雜比與通道增益。換言之，不僅在每一個群組中的強用戶的通道增益將影響使用者分組的性能，強用戶也將決定了一群組的最大接收訊雜比。
基此，圖3是依據本發明之一實施例繪製的聯合用戶分組與功率分配方法流程圖。圖3的方法亦可由基地台110執行。以下將參照圖1的系統架構來說明圖3的聯合用戶分組與功率分配方法的各個步驟。
在步驟S310中，基地台110依據其與 個使用者裝置之間的通道增益由大至小對 個使用者裝置進行排序。
在本實施例中，假設基地台110分別與使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K的通道增益由大至小依序排列為 ，則基地台110將使用者裝置130_1、130_2、…、130_K-1、130_K依此順序排列。
在步驟S320中，基地台110設置排序靠前的 個使用者裝置為一強用戶候選者群組，且設置其他使用者裝置為一弱用戶候選者群組。
在本實施例中，由於已知每一個群組中的強用戶的通道增益將影響使用者分組的性能，故基地台110將通道增益排序前 個的使用者裝置（即，使用者裝置130_1、130_2、…、130_N-1、130_N）設置為強用戶候選者群組，將其餘的使用者裝置（即，使用者裝置130_N+1、…、130_K-1、130_K）設置為一弱用戶候選者群組。需說明的是，由於在接下來的步驟中基地台110欲將強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與弱用戶候選者群組中的每一者配對，使 個使用者裝置兩兩劃分為一群組，因此上述的 。
在步驟S330中，基地台110將強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與弱用戶候選者群組中的每一者配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應的功率分配係數與傳輸功率，以將 個使用者裝置區分成 個群組。
在本實施例中，基地台110會將強用戶候選者群組中的每一者分別與弱用戶候選者群組中的所有使用者裝置配對，並計算對應於各個配對的群組接收訊雜比。需說明的是，各個配對的群組接收訊雜比可將圖2步驟所得到的群組中兩個使用者裝置對應的功率分配係數分別代入等式（12）~（14）後經由等式（7）而獲得。值得一提的是，為了簡化系統的複雜度，上述的功率分配係數公式解及等式（12）~（14）中的通道增益（即， 、 及 ）亦可由穩態的通道特性取代，本發明並未對此有所限制。
接下來，基地台110會依據群組接收訊雜比決定強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者的配對組合，以將 個使用者裝置區分成 個群組。具體而言，基地台110會為強用戶候選者群組中的每一者選擇與其配對的使用者裝置中具有最大值的群組接收訊雜比。此外，基地台110還會為強用戶候選者群組中的每一者選擇與其配對的使用者裝置中具有的第二大值的群組接收訊雜比。於是，基地台110會為強用戶候選者群組中的每一者計算一等效訊雜比損失，等效訊雜比損失為最大群組接收訊雜比與第二大群組接收訊雜比之差。基地台110將選擇具有最大值的等效訊雜比損失的強用戶候選群組者中的使用者裝置為一個配對組合中的一個強用戶，以及與其配對具有最大值的群組接收訊雜比所對應的弱用戶候選群組者中的使用者裝置為此配對組合的一個弱用戶，並將此配對組合當作 個群組的其中之一。這意味著這樣的使用者分配可以使得在具有最大值的群組接收訊雜比的配對中的強用戶候選者群組中的使用者裝置與弱用戶候選者群組中的使用者裝置配對，並且可以避免強用戶候選者群組中的使用者裝置與具有的第二大值的群組接收訊雜比的配對中的弱用戶候選者群組中的使用者裝置配對（即，避免較差的等效訊雜比）。
之後，基地台110將上述配對完成的強用戶自強用戶候選者群組中移除，且將上述配對完成的弱用戶自弱用戶候選者群組中移除。依此方式，基地台110將會重複上述步驟，直到強用戶候選者群組及弱用戶候選者群組為空。如此一來，基地台110即可將強用戶候選者群組中的每一者以一對一的方式與弱用戶候選者群組中的每一者配對，以將 個使用者裝置區分成 個群組。
需說明的是，雖然上述提出的用戶分組方法可能無法總是保證等式（10）的最佳化問題為最佳的狀態，但其可提供快速的方法來尋找次佳的使用者對。
在本發明的一實施例中，決定強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者的配對，以將 個使用者裝置區分成 個群組可透過矩陣的方式來實施，但本發明並未對此有所限制。在本實施例中，假設下行鏈路合作式NOMA系統100具有8個使用者裝置（即，使用者裝置130_1、130_2、…、130_8），且強用戶候選者群組包含使用者裝置130_1、130_2、130_3、130_4，而弱用戶候選者群組包含使用者裝置130_5、130_6、130_7、130_8。為了使強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者的配對，基地台110建立一個維度為 的第一使用者配對矩陣 ，如下所示： 等式（27） 其中第一使用者配對矩陣 中的元素定義為 ，表示當第 個使用者裝置與第 個使用者裝置被分配為同一群組的等效接收訊雜比（可參照等式（7）計算）。舉例來說， 表示強用戶候選者群組中的使用者裝置130_1與弱用戶候選者群組中的使用者裝置130_5配對所對應的等效接收訊雜比。
在等式（27）中，假設 、 、 及 為第一使用者配對矩陣 中的每一列具有最大值的元素，且假設 、 、 及 為第一使用者配對矩陣 中的每一列具有第二大值的元素，接下來據以建立另第二使用者者配對矩陣 ，如下所示： 等式（28） 其中第二使用者配對矩陣 的每一列定義為對應於強用戶候選者群組中的每一者的等效訊雜比損失。
假設 為四個值當中的最大者，基地台110將選擇強用戶候選者群組中的使用者裝置130_1為一個配對組合中的一個強用戶，以及選擇弱用戶候選者群組中的使用者裝置130_5為此配對組合的一個弱用戶，並將所述配對組合當作4個群組的其中之一。之後，基地台110將移除第一使用者配對矩陣 中的第1列與第3行。依此方式，基地台110將重複上述分配的步驟直到第一使用者配對矩陣 為一個空的矩陣。如此一來，基地台110即可將下行鏈路合作式NOMA系統100中的8個使用者裝置區分成4個群組。
最後，在步驟S340中，基地台110依據上述 個群組中使用者裝置對應的傳輸功率，據以傳送訊息給 個使用者裝置。
在本實施例中，基地台110將在最大化各個群組中兩個使用者裝置的一群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置的傳輸功率，以取得對應於 個使用者裝置的傳輸功率。值得一提的是，上述各個群組中的一個使用者裝置將關聯於強用戶候選者群組，而另一個使用者裝置將關聯於弱用戶候選者群組，故符合在圖2的步驟中計算任一個群組中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的限制條件（即 或 ）。因此，上述 個群組中的各個使用者裝置所對應之功率分配係數與傳輸功率可基於圖2的步驟計算出，進而使得基地台110可據以傳送訊息給 個使用者裝置。
綜上所述，本發明實施例提出一種聯合用戶分組與功率分配方法以及使用所述方法的基地台；此方法之基地台依據系統中的各個使用者裝置的通道增益先將使用者裝置區分為強用戶候選者群組與弱用戶候選者群組，再依據強用戶候選者群組中的每一者與弱用戶候選者群組中的每一者的配對組合所對應之群組接收訊雜比來決定使用者的分組，進而提供一種快速的方法來尋找次佳的使用者配對組合。另外，此方法之基地台在最大化單一群組中的群組接收訊雜比的情況下，計算各群組中的兩個使用者裝置對應的傳輸功率。綜合言之，本發明所提供的技術可有效降低下行鏈路合作式NOMA系統中使用者分組的複雜度，亦可有效提升其傳輸效能與系統容量。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然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，當可進行適當的更動與潤飾，然這些更動與潤飾皆仍應為後附的申請專利範圍所涵蓋。
100‧‧‧下行鏈路合作式NOMA系統
110‧‧‧基地台
120_1、120_N‧‧‧群組 130_1、130_2、130_3、130_4、130_5、130_6、130_7、130_8、130_N-1、130_N、130_N+1、130_K-1、130_K‧‧‧使用者裝置
S210、S220、S230、S240、S250、S260、S310、S320、S330、S340‧‧‧步驟
圖1是依據本發明之一實施例所繪製的下行鏈路合作式NOMA系統示意圖。 圖2是依據本發明之一實施例所繪製的計算使用者裝置之功率分配係數與傳輸功率的方法流程圖。 圖3是依據本發明之一實施例所繪製的聯合用戶分組與功率分配方法流程圖。

Claims (14)

  1. 一種聯合用戶分組與功率分配方法，適用於合作式非正交多重接取（non-orthogonal multiple access；NOMA）系統中一基地台傳送訊息給區分成 個群組的 個使用者裝置，其中 為大於等於2的偶數且 ，所述方法包括： 依據該基地台與該 個使用者裝置之間的 個通道增益對該 個使用者裝置由大至小進行排序； 設置該排序靠前的 個使用者裝置為一強用戶候選者群組，且設置該其他 個使用者裝置為一弱用戶候選者群組； 對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率，以將該 個使用者裝置區分成 個群組；以及 依據配對完成後之該 個群組中使用者裝置對應的傳輸功率，傳送訊息給該 個使用者裝置。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的方法，其中所述對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的方法為： 對所述每一配對組合，在最大化該兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率， 其中該兩個使用者裝置的第一使用者裝置關聯於該強用戶候選者群組，而第二使用者裝置關聯於該弱用戶候選者群組， 該群組接收訊雜比是該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比中最小者， 該第一使用者裝置的第一通道增益大於該第二使用者裝置的第二通道增益， 該些傳輸功率包括欲傳送給該第一使用者裝置的第一訊號的第一傳輸功率、欲傳送給該第二使用者裝置的第二訊號的第二傳輸功率，以及欲從該第一使用者裝置轉送該第二訊號之解碼結果給該第二使用者裝置的第三傳輸功率， 該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率的總和小於等於一總傳輸功率，該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率分別大於0，且該第二傳輸功率大於該第一傳輸功率， 該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比包括在該第一使用者裝置端解碼出之該第一訊號的第一訊雜比，在該第一使用者裝置端解碼出之第二訊號的第二訊雜比，以及在該第二使用者裝置端解碼出該第二訊號的第三訊雜比。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的方法，其中對上述任一配對組合，在最大化兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率的步驟包括： 設置對應之該第一傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，該第二傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，且該第三傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，其中 稱為第一功率分配係數，而 稱為第二功率分配係數； 將該第一訊雜比表徵為該第一功率分配係數的第一函式，將該第二訊雜比表徵為該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第二函式，且將該第三訊雜比表徵為該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第三函式； 限制該第一函式與該第二函式的第一交叉點等同於該第一函式與該第三函式的第二交叉點，以取得關連於該第一功率分配係數的三次函式； 對該三次函式求解，其中一個解為該第一功率分配係數的最佳解； 將該第一功率分配係數最佳解代入該第二函式，以計算該第二功率分配係數的最佳解；以及 基於該第一功率分配係數的最佳解計算該第一傳輸功率，基於該第二功率分配係數的最佳解計算該第二傳輸功率，且基於該第一功率分配係數的最佳解與該第二功率分配係數的最佳解計算該第三傳輸功率。
  4. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該第一函式為該第一功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第二函式與該第三函式皆為該第一功率分配係數的嚴格遞減函式。
  5. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中該第二函式為該第二功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第三函式為該第二功率分配係數的嚴格遞減函式。
  6. 如申請專利範圍第3項所述的方法，其中對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，以將該 個使用者裝置區分成該 個群組的步驟包括： 將該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並依據各配對組合的該第一功率分配係數的該最佳解與該第二功率分配係數的該最佳解計算對應的該些接收訊雜比；以及 計算各配對組合中的兩個使用裝置對應的等效接收訊雜比，其中該等效接收訊雜比是該兩個使用者裝置所對應之該第二訊雜比與該第三訊雜比中較小者加上該第一訊雜比，並據以將該 個使用者裝置區分成該 個群組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述的方法，其中依據所計算出之各配對組合對應的該等效接收訊雜比，將該 個使用者裝置區分成該 個群組的步驟包括： 依據所計算出之各配對組合對應的該等效接收訊雜比，為該強用戶候選者群組中的每一者選出具有最大等效接收訊雜比的第一配對組合以及具有第二大等效接收訊雜比的第二配對組合； 為該強用戶候選者群組中的每一者計算一等效訊雜比損失，其中該等效訊雜比損失為該最大等效接收訊雜比與該第二大等效接收訊雜比之差； 從該強用戶候選者群組中選取具有該等效訊雜比損失最大值者所對應的該第一配對組合為該 個群組之一； 將被選取之該第一配對組合中的該兩個使用者裝置分別自該強用戶候選者群組與該弱用戶候選者群組中刪除；以及 重複上述步驟，直到該強用戶候選者群組與該弱用戶候選者群組皆為空。
  8. 一種基地台，適用於合作式非正交多重接取系統，所述基地台包括： 一收發電路，用以傳送訊息給區分成 個群組的 個使用者裝置，其中 為大於等於2的偶數且 ； 一儲存電路，儲存多個程式碼；以及 一處理電路，耦接該收發電路和該儲存電路，並且經配置以執行如下操作： 依據該基地台與該 個使用者裝置之間的 個通道增益對該 個使用者裝置由大至小進行排序； 設置該排序靠前的 個使用者裝置為一強用戶候選者群組，且設置該其他 個使用者裝置為一弱用戶候選者群組； 對該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並同時計算各配對組合中兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率，以將該 個使用者裝置區分成 個群組；以及 依據配對完成後之該 個群組中使用者裝置對應的傳輸功率，傳送訊息給該 個使用者裝置。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的基地台，其中該處理電路進一步經配置以對各配對組合執行下列方法： 對所述每一配對組合，在最大化該兩個使用者裝置對應之群組接收訊雜比的情況下，計算該兩個使用者裝置對應之功率分配係數與傳輸功率， 其中該兩個使用者裝置的第一使用者裝置關聯於該強用戶候選者群組，而第二使用者裝置關聯於該弱用戶候選者群組， 該群組接收訊雜比是該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比中最小者， 該第一使用者裝置的第一通道增益大於該第二使用者裝置的第二通道增益， 該些傳輸功率包括欲傳送給該第一使用者裝置的第一訊號的第一傳輸功率、欲傳送給該第二使用者裝置的第二訊號的第二傳輸功率，以及欲從該第一使用者裝置轉送該第二訊號之解碼結果給該第二使用者裝置的第三傳輸功率， 該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率的總和小於等於一總傳輸功率，該第一傳輸功率、該第二傳輸功率及該第三傳輸功率分別大於0，且該第二傳輸功率大於該第一傳輸功率；以及 該兩個使用者裝置對應之接收訊雜比包括在該第一使用者裝置端解碼出之該第一訊號的第一訊雜比，在該第一使用者裝置端解碼出之第二訊號的第二訊雜比，以及在該第二使用者裝置端解碼出該第二訊號的第三訊雜比。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的基地台，其中該處理電路進一步經配置以對上述每一配對組合執行下列步驟： 設置對應之該第一傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，該第二傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，且該第三傳輸功率為該總傳輸功率的 倍，其中 稱為第一功率分配係數，而 稱為第二功率分配係數； 將該第一訊雜比表徵為該第一功率分配係數的第一函式，將該第二訊雜比表徵為該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第二函式，且將該第三訊雜比表徵為該第一功率分配係數與該第二功率分配係數的第三函式； 限制該第一函式與該第二函式的第一交叉點等同於該第一函式與該第三函式的第二交叉點，以取得關連於該第一功率分配係數的三次函式； 對該三次函式求解，其中一個解為該第一功率分配係數的最佳解； 將該第一功率分配係數最佳解代入該第二函式，以計算該第二功率分配係數的最佳解；以及 基於該第一功率分配係數的最佳解計算該第一傳輸功率，基於該第二功率分配係數的最佳解計算該第二傳輸功率，且基於該第一功率分配係數的最佳解與該第二功率分配係數的最佳解計算該第三傳輸功率。
  11. 如申請專利範圍第10項所述的基地台，其中該第一函式為該第一功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第二函式與該第三函式皆為該第一功率分配係數的嚴格遞減函式。
  12. 如申請專利範圍第10項所述的基地台，其中該第二函式為該第二功率分配係數的嚴格遞增函式，而該第三函式為該第二功率分配係數的嚴格遞減函式。
  13. 如申請專利範圍第10項所述的基地台，其中該處理電路進一步經配置以執行： 將該強用戶候選者群組中的每一者與該弱用戶候選者群組中的每一者進行配對，並依據各配對組合的該第一功率分配係數的該最佳解與該第二功率分配係數的該最佳解計算對應的該些接收訊雜比；以及 計算各配對組合中的兩個使用裝置對應的等效接收訊雜比，其中該等效接收訊雜比是該兩個使用者裝置所對應之該第二訊雜比與該第三訊雜比中較小者加上該第一訊雜比，並據以將該 個使用者裝置區分成該 個群組。
  14. 如申請專利範圍第13項所述的基地台，其中該處理電路進一步經配置以執行： 依據所計算出之各配對組合對應的該等效接收訊雜比，為該強用戶候選者群組中的每一者選出具有最大等效接收訊雜比的第一配對組合以及具有第二大等效接收訊雜比的第二配對組合； 為該強用戶候選者群組中的每一者計算一等效訊雜比損失，其中該等效訊雜比損失為該最大等效接收訊雜比與該第二大等效接收訊雜比之差； 從該強用戶候選者群組中選取具有該等效訊雜比損失最大值者所對應的該第一配對組合為該 個群組之一； 將被選取之該第一配對組合中的該兩個使用者裝置分別自該強用戶候選者群組與該弱用戶候選者群組中刪除；以及 重複上述步驟，直到該強用戶候選者群組與該弱用戶候選者群組皆為空。
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