一种基于协作非正交多址系统的用户配对与中继选择联合算法

摘要

本发明涉及无线通信技术领域，具体是一种基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法，包括以下步骤：S1从基站覆盖范围内所有用户中选择距离基站最远的用户为主用户：S2选择所有中继器中到主用户信道条件最好的中继器作为中继：S3主用户和中继选取之后，可以得到中继服务范围内所有满足主用户目标速率的用户集合CR，表示为：S4从用户集合CR中选出瞬时速率最大的用户为次用户：S5循环进行上述步骤直至基站覆盖范围内所有用户均完成用户配对和中继选择。本发明提供了多用户多中继场景下协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法，协作传输策略提高了整个系统的中断性能，并且相比于传统的中继网络，本发明在传输性能上也取得了较大优势。

说明书

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体是在多用户多中继场景下一种基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法。

背景技术

近些年来移动通信技术得到了迅速的发展，为数百万人口和数十亿设备提供高速传输的万物互联系统将成为未来移动通信的基本应用场景之一[1]。预计在未来的十年内，全球范围内手机、平板、可穿戴设备、无线耳机等移动设备的数量将超过1250亿[2]，[3]。与此同时用于承载移动通信业务的无线频谱资源变得十分紧张，如何解决频谱资源匮乏成为当今关于移动通信研究的一大热点。传统的正交多址方案，例如时分多址，码分多址和正交频分多址，在支持大量移动设备时可能会面临很大的困难。非正交多址接入技术(NOMA)作为第五代移动通信技术的一项潜在接入技术，因其可以很大程度地提高频谱效率，提高传输速率和提高基站服务用户的数量，可以适用于海量高速连接的场景而受到业界的广泛关注[4][5]。 NOMA系统不仅在频谱效率和用户数量上具有不可忽视的优势，同时也已经被证明能够与多种无线通信技术相结合并显著提高系统性能。例如在使用更高频段的B5G系统和使用太赫兹频段的6G系统中，基站的覆盖范围由于受发射信号天然属性的影响严重缩小，协作传输技术成为了解决基站覆盖范围问题的有效方案。迄今为止有关非正交多址接入技术和协作传输技术的研究成果表明将两种技术相结合可以在为更多用户提供服务的同时显著提高小区中心基站的覆盖范围，同时也极大改善了小区边缘用户的信号质量，迎合了现阶段移动通信技术的发展趋势。

现有技术方案只考虑了多用户场景或多中继场景下的用户配对问题和中继选择问题，并没有考虑实际情况下的多用户多中继场景。本发明基于多用户多中继场景下的协作非正交多址接入系统，提出了一种适用于实际场景下的用户配对和中继选择联合算法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法，致力于解决实际多中继多用户场景下的用户配对和中继选择问题，进一步提升系统的中断性能，使整个协作中继系统的频谱效率和遍历速率都得到提升。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法，包括以下步骤：

S1：从基站覆盖范围内所有用户中选择距离基站最远的用户为主用户；

S2：选择所有中继器中与主用户之间信道条件最好的中继器作为选定中继

S3：主用户和中继选取之后，可以得到中继服务范围内所有满足主用户目标速率的用户集合C

S4：从用户集合C

S5：循环进行上述步骤直至基站覆盖范围内所有用户均完成用户配对和中继选择；

进一步，由于基站与用户之间距离很远或有障碍物存在，使得他们之间不存在直接链路，所有的中继器和用户在接受到基站或中继器发送的信号后，利用串行干扰消除技术对接收信号进行解码。

进一步，步骤S1中，基站向其服务范围内的所有用户广播信息：

其中S

进一步，步骤S1中，经过中继器的转发，所有用户接收到的信号为

其中h

进一步，步骤S1中，基站处理接收到的导频信息，计算出每个用户终端的位置信息(例如距离，角度)，选取距离基站最远的用户为主用户，表示为

其中

进一步，步骤S1中，存在主用户的信息速率小于其目标速率，此时中继器的接收信号不能解码出主用户信号或主用户的接收信号不能解码出自身信号，所以主用户成功解码自身信号需满足：

其中

进一步，步骤S2中，所有可以连接主用户的中继器计算中继器与主用户间的信道增益，并选取信道增益最大的中继器为选定中继，表示为

其中

进一步，在步骤S3中，选定中继遍历其服务范围内所有除主用户外的用户，由于非正交技术采用串行干扰消除技术(SIC)，选定中继服务范围内所有除主用户外的用户在解码自身信号时需先解码主用户的信号，将解码出的主用户信号消除后再解码自身信号，所以此时所用除主用户外的用户接收到的主用户信号信噪比为：

其中

进一步，在步骤S3中，选定中继遍历其服务范围内所有除主用户外的用户，选取满足主用户目标速率的用户集合C

其中τ

进一步，在步骤S3中，选定中继在遍历其服务范围内所有除主用户外的用户时，存在 |C

进一步，步骤S4中，集合C

其中

进一步，步骤S4中，存在次用户的信息速率小于其目标速率，此时中继器的接收信号不能解码出主用户的信号或主用户的接收信号不能解码出自身信号，所以次用户成功解码自身信号需满足：

其中

进一步，步骤S4中，根据S2中选取的集合中选取用户速率最大的用户作为次用户，表示为：

进一步，步骤S5中，由于本发明考虑的是多中继多用户场景，所以需循环步骤S1-S4直至基站覆盖范围内所有用户均已完成用户配对和中继选择

本发明的有益效果在于：

该基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法，给出了完成的中断概率表达式，并分析了大传输信噪比时的中断概率；结果表明，相较于传统协作中继正交多址接入系统，协作中继非正交多址接入系统获得了极大的提升，本发明提升了整个网络的中断性能，并且相较于传统正交多址接入系统，本发明极大提升了系统遍历速率。

附图说明

图1为本发明的一种实施方式的结构示意图。

图2为协作中继正交接入系统与协作中继非正交多址接入系统的中断概率对比图。

图3为协作中继非正交多址接入系统在不同中继数量下的中断概率。

图4为协作中继非正交多址接入系统在不同功率分配因子下的中断概率。

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；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；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。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本发明的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

本发明所述的一种基于协作非正交多址系统的用户配对和中继选择联合算法包含由一个中心基站，至少1个解码转发中继器和至少两个用户组成的协作中继非正交多址接入系统的下行链路，其特征在于，所述方法如下：

S1：从基站覆盖范围内所有用户中选择距离基站最远的用户为主用户；

S2：选择所有中继器中与主用户之间信道条件最好的中继器作为选定中继

S3：主用户和中继选取之后，可以得到中继服务范围内所有满足主用户目标速率的用户集合C

S4：从用户集合C

S5：循环进行上述步骤直至基站覆盖范围内所有用户均完成用户配对和中继选择；

由于基站与用户之间距离很远或有障碍物存在，使得他们之间不存在直接链路，所有的中继器和用户在接受到基站或中继器发送的信号后，利用串行干扰消除技术对接收信号进行解码。

步骤S1中，基站向其服务范围内的所有用户广播信息：

其中S

步骤S1中，经过中继器的转发，所有用户接收到的信号为

其中h

步骤S1中，基站处理接收到的导频信息，计算出每个用户终端的位置信息(例如距离，角度)，选取距离基站最远的用户为主用户，表示为

其中

步骤S1中，存在主用户的信息速率小于其目标速率，此时中继器的接收信号不能解码出主用户信号或主用户的接收信号不能解码出自身信号，所以主用户成功解码自身信号需满足：

其中

步骤S2中，所有可以连接主用户的中继器计算中继器与主用户间的信道增益，并选取信道增益最大的中继器为选定中继，表示为

其中

在步骤S3中，选定中继遍历其服务范围内所有除主用户外的用户，由于非正交技术采用串行干扰消除技术(SIC)，选定中继服务范围内所有除主用户外的用户在解码自身信号时需先解码主用户的信号，将解码出的主用户信号消除后再解码自身信号，所以此时所用除主用户外的用户接收到的主用户信号信噪比为：

其中

在步骤S3中，选定中继遍历其服务范围内所有除主用户外的用户，选取满足主用户目标速率的用户集合C

其中τ

在步骤S3中，选定中继在遍历其服务范围内所有除主用户外的用户时，存在|C

步骤S4中，集合C

其中

步骤S4中，存在次用户的信息速率小于其目标速率，此时中继器的接收信号不能解码出主用户的信号或主用户的接收信号不能解码出自身信号，所以次用户成功解码自身信号需满足：

其中

步骤S4中，根据S2中选取的集合中选取用户速率最大的用户作为次用户，表示为：

步骤S5中，由于本发明考虑的是多中继多用户场景，所以需循环步骤S1-S4直至基站覆盖范围内所有用户均已完成用户配对和中继选择。

实施例

本发明的应用场景如图1所示，系统包含一个基站，M个中继器，N个用户，分别表示为BS、{R

所述步骤S1中，有可能发生主用户D

所述步骤S3中，有可能发生主用户D

所述步骤S3中，有可能发生主用户D

所以系统的总中断概率为

其中

图2为协作中继正交接入系统与协作中继非正交多址接入系统的中断概率对比图。可以看出，与采用传统OMA技术的中继系统相比，使用NOMA技术可以获得更优的可靠性。与此同时，C-NOMA系统可以同时为两个或多个用户提供服务，而C-OMA系统则需要更多的资源(例如带宽或时隙)来提供服务。

图3为协作中继非正交多址接入系统在不同中继数量下的中断概率。可以看出，随着中继器数量的增加，C-NOMA系统的中断概率不断降低，系统的分集增益更大，中断概率曲线的斜率也随之变大。可以通过增加中继器的数量的方式有效地改善系统的中断性能，

图4为协作中继非正交多址接入系统在不同功率分配因子下的中断概率。可以看出，当α

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。