[發明專利]基于無線攜能的NOMA通信系統中無線資源分配方法

有效

• 申請號: 201910065711.X
• 申請日: 2019-01-23
• 公開（公告）號: CN109905917B
• 公開（公告）日: 2022-12-02
• 發明（設計）人: 張軍;劉曉光;蔡曙;蔡艷;王海榮
• 申請（專利權）人: 南京郵電大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04
• 代理公司: 南京蘇科專利代理有限責任公司 32102
• 代理人: 陳望坡;姚姣陽

1.基于無線攜能的NOMA通信系統中無線資源分配方法，其特征在于：具體步驟如下：

步驟(101)：基于“系統譜效率最大化”原則，利用迭代法分別計算用戶上行導頻序列長度、正則化參數、功率分割系數、以及功率分配系數；并根據每次迭代出的上行導頻序列長度、正則化參數、功率分割系數、以及功率分配系數，計算當前迭代次數的系統譜效率；

在步驟(101)中，迭代算法包括以下步驟：

步驟(201)：初始化系統用戶上行導頻序列長度、正則化參數、功率分割系數、以及功率分配系數，分別用符號表示為β⁽⁰⁾、同時設定收斂判決門限∈＝10^-8、迭代次數i＝0；

步驟(202)：利用β⁽⁰⁾、計算系統譜效率初始值；

其中，系統譜效率初始值的具體計算步驟如下：

步驟(301)：利用系統用戶上行導頻序列長度、正則化參數、功率分割參數的初始值，計算此時的信道估計參數，從而獲取系統所有用戶的非理想信道狀態信息；

其中，獲取系統所有用戶的非理想信道狀態信息具體實現如下：

基于無線攜能的單小區多用戶NOMA下行無線通信系統中，用戶收集的能量一部分用于上行鏈路信道估計以及信道估計階段的電路消耗，另一部分用于傳輸信息階段的電路消耗；假設基站配有N根天線，用戶單天線，總用戶數為K,KN，其中表示大于；系統中有N個簇，每個簇有兩個用戶，其中信道增益較好的為強用戶，用(n,1)表示，信道增益較差的為弱用戶，用(n,2)表示，n∈[1,2,…,N]，∈表示屬于；同時假設每個用戶向基站發送的上行導頻數量為T_t，信道相干間隔為T，T為固定值；信道使用量近似恒定，T_t的信道使用量用于上行鏈路信道估計，T-T_t的信道使用量用于下行鏈路數據信息的傳輸，復高斯噪聲功率為σ²；利用公式E_n,i＝(T-T_t)ω(1-p_s)β_n,iρ計算第n個簇中第i個用戶收集的能量E_n,i，其中ω∈[0,1]表示能量轉換效率，p_s表示每個用戶的功率分割系數，ρ為下行鏈路信噪比；將代入計算式E_n,i中，計算時用戶收集的能量利用公式計算第n個簇中第i用戶的上行發射功率為其中為用戶的電路消耗，且和p₀為常量；利用計算第n個簇中第i用戶的信道估計參數τ_n,i，將代入到計算式τ_n,i，計算時的信道估計參數從而求得時所有用戶的估計信道增益，其中上標x⁽ⁱ⁾表示x經過第i次迭代的結果；

假設第n個簇中第i個用戶的真實信道增益建模為其中i∈[1,2]，表示基站與第n個簇中第i個用戶之間的真實信道增益，向量大小為1×N；β_n,i為常量，表示第n個簇中第i個用戶的大尺度衰落因子，表示1×N的復高斯隨機向量，其元素都服從0均值，方差的獨立同分布；用戶的估計信道增益在基站可用，所有用戶向基站發送上行導頻，基站接收上行導頻進行信道估計，將信道估計參數代入式子獲取第n個簇中第i用戶的估計信道增益向量大小為1×N；其中T_n,i是N×N的確定性非負定矩陣，表示基站天線的發送相關矩陣，且T_n,i＝I_N，I_N是N×N的單位矩陣，表示1×N的復高斯隨機向量，其元素都服從0均值，方差的獨立同分布，τ_n,i為第n個簇中第i用戶的信道估計參數，表示信道估計的準確度，τ_n,i∈[0,1]；上標(·)^H表示矩陣的共軛轉置運算，表示算術平方根，表示矩陣的平方根運算，(·)²表示二次方；并且同一簇中強用戶和弱用戶的快衰落真實信道增益建模如下：

其中n∈[1,2,…,N]，和的向量大小都為1×N，表示1×的復高斯隨機向量，其元素都服從0均值，方差的獨立同分布，和相互獨立，θ_n為常量，且θ_n∈[0,1]，表示誤差系數；

步驟(302)：利用強用戶的非理想估計信道矩陣和正則化參數初始值，計算此時的發送預編碼矩陣；

其中，計算發送預編碼矩陣具體實現如下：

利用所有強用戶的估計信道增益，由所有強用戶信道增益生成信道估計矩陣矩陣大小為N×N；發送端采用正則化迫零預編碼，正則化參數為β，利用和β，計算其中(·)^-1表示矩陣的逆運算；利用公式計算發送預編碼矩陣G，其中G滿足tr(GC^H)≤NP，P0，tr(·)表示矩陣的求跡運算；利用公式tr(GG^H)≤NP，計算其中ε表示滿足基站發射功率約束的歸一化參數，N為基站天線數，P為基站發射的總功率；令β＝β⁽⁰⁾，求得β＝β⁽⁰⁾時的預編碼矩陣G；

步驟(303)：利用簇中用戶真實信道向量和發送預編碼矩陣，計算簇中用戶的有效功率和簇間干擾；

其中，計算簇中用戶的有效功率和簇間干擾具體實現如下：

針對基于無線攜能的NOMA通信系統，去掉第n個簇中強用戶估計信道向量得到矩陣大小為(N-1)×N；利用公式計算第n個簇中強用戶和弱用戶的真實信道增益分別為和根據G、以及利用公式計算第n個簇強用戶的有效功率U_s，利用公式計算第n個簇弱用戶的有效功率U_w；利用公式計算系統中其它簇對第n個簇中強用戶的干擾，利用計算系統中其它簇對第n個簇弱用戶的干擾；

步驟(304)：利用簇中用戶的有效功率和簇間干擾、以及上行導頻序列長度、正則化參數、功率分割參數、功率分配參數的初始值，計算系統譜效率初始值；

其中，計算系統譜效率初始值具體實現如下：

利用下述公式

計算系統譜效率R_sp；其中α_n,1為第n個簇中強用戶功率分配系數，常量μ大于0，E_x{f(x)}表示關于變量x對f(x)求期望，|·|²表示向量模的平方運算，∑(·)表示求和運算，log(·)表示對數運算；將β⁽⁰⁾、代入到系統譜效率計算式R_sp中，計算出系統譜效率初始值

步驟(203)：基于“系統譜效率最大化”原則，計算第i+1次迭代的系統譜效率

步驟(204)：判斷是否成立，若判斷結果為是，則執行步驟(205)，若判斷結果為否，則執行步驟(206)；

步驟(205)：第i+1次迭代出的上行導頻序列長度正則化參數β⁽ⁱ⁺¹⁾、功率分割系數以及功率分配系數即為所求最優值，按照上述最優值進行無線傳輸；

步驟(206)：執行i＝i+1，返回步驟(203)繼續迭代；

步驟(102)：計算當前和前一次迭代后的系統譜效率差的絕對值，并判斷該值是否小于等于收斂判決門限，若判斷結果為是，則停止計算，此時的迭代結果即為所求最優值，從而得到最優導頻序列長度、最優正則化參數、最優功率分割系數和最優功率分配系數；若判斷結果為否，則返回步驟(101)繼續迭代；

步驟(103)：利用上述最優導頻序列長度，用戶發送上行導頻，基站根據接收到的導頻信號進行信道估計，獲取所有用戶的非理想信道狀態信息，進而結合最優正則化參數計算正則化迫零預編碼矩陣，基站基于上述最優功率分配系數發送信號給各個用戶，每個用戶基于最優功率分割系數將接收信號的一部分用于能量收集，另一部分用于信息解碼。