[發明專利]一種基于MIMO-NOMA系統的能量最大化收集方法

在審

• 申請號: 201911397816.1
• 申請日: 2019-12-30
• 公開（公告）號: CN111147112A
• 公開（公告）日: 2020-05-12
• 發明（設計）人: 李樹鋒;萬澤林;金立標;雷玲
• 申請（專利權）人: 中國傳媒大學
• 主分類號: H04B7/0413
• 分類號: H04B7/0413;H04B7/0426;H04B7/0456
• 代理公司: 北京思海天達知識產權代理有限公司 11203
• 代理人: 沈波

1.一種基于MIMO-NOMA系統的能量最大化收集方法，其特征在于：本方法包括S1-S4四個步驟，S1對用戶進行分組,提出了兩種用戶分組的方式，S2進行預編碼，S3對用戶進行功率分配，S4在已知用戶分組、預編碼和功率分配下，找到最優的功率分割系數使得收集到的能量最大化；

S1.用戶分組

為得到預編碼矩陣W_n首先需要對用戶進行分組，同一組內的用戶共用一套編碼，假設下行MIMO蜂窩系統中的所有用戶都利用基于NOMA的資源分配；用戶分組采用以下兩種用戶聚類方法中的一種：

1)基于信道增益的固定用戶分組聚類方法：下行NOMA集群的簇頭完全消除組內干擾，從而獲得最大的吞吐量增益；最大限度地提高整個系統容量或頻譜效率的一個關鍵是確保在一個單元中選擇高信道增益用戶作為不同MIMO-NOMA集群的簇頭；

2)基于天線分組的用戶聚類方法：考慮下行MIMO-NOMA系統，用戶K的數量大于波束G的數量；提供一個低復雜度的MIMO-NOMA用戶聚類算法，其中集群G的數量等于RF鏈N_RF的數量；BS上的天線按順序分組為M組，每組有Nt天線；首先選擇每個天線組對應的信道增益最大的用戶作為簇頭，然后找出其余用戶與每個簇頭用戶之間的相關性，并將信道相關性高的用戶與所選擇的簇頭用戶進行匹配；

S2預編碼矩陣

讓考慮由k個用戶組成的第n個MIMO-NOMA簇，然后信道矩陣H_n∈k×N_RF表示如下：

H_n＝[h_n,1,h_n,2,…,h_n,k] (7)

對H_n進行SVD分解得到；

每一個波束由一個MIMO-NOMA簇利用，從而得到第n束波所對應的信道為

其中u^*_n為U_n的第一列，左邊的奇異向量對應于最大奇異值；得到等效矩陣為

然后得預編碼矩陣為：

對預編碼矩陣進行歸一化后，第n束波的預編碼向量表示為：

S3功率分配

在NOMA系統中，用戶之間的信道增益差通過疊加編碼轉化為復用增益；因此，功率分配對系統性能有著重要的影響；

對于MIMO-NOMA系統采用兩步功率分配方法，對組內用戶進行功率分配；具體如下：

第一步對各個波束的發射功率進行分配，P_g表示為第g個波束的發射功率,g＝1,2…G，P為發射總功率，S_g為g波束所服務的用戶集的用戶數；得到每個波束的發射功率后進行第二步對各波束所服務的用戶集進行功率分配，假設同一用戶集內，用戶間的干擾很?。粚⒔M內用戶功率分配問題表述為：

其中h_g,n第g個波束服務的第n個用戶的信道，g＝1,2,…G，n＝1,2,…S_g第g個波束服務的第n個用戶的傳輸功率，P_g為第g束波的傳輸功率；N為噪聲功率譜密度，|S_g|為第g個波束服務的用戶數；為解決凸優化問題，將拉格朗日函數定義為：

其中λ≥0.

對式(15)求極值，得：

對式(16)進一步化簡：

其中|h_g,n|為第g個波束服務的第n個用戶的信道增益；

將式(17)代入(14)限制條件中有：

對式(18)進一步化簡：

再將式(19)代入(17)中，得

通過對每一束波服務的用戶集用上述功率分配方法，得到所有用戶的功率分配；

S4能量收集最大化

同步無線信息和功率傳輸SWIPT采用基于功率分裂PS的方法，將每個用戶接收到的信號分成兩部分；一部分轉發給信息解碼器進行ID信息譯碼處理，另一部分進行EH能量收集處理，信號分割系數為β且0＜β＜1，第n束波服務的第m用戶進行能量收集處理的信號表示為：

第n束波服務的第m用戶收集的能量表示為：

其中η為能量轉換效率，同時，用于進行ID的信號表示為：

u是在信號分割時產生的噪聲，服從(0,1)的正態分布；

因此第m個用戶在第n個波束接收到的信號用來進行ID的表示為

通過在每一束中使用NOMA，實現發射端和接收端的波束內疊加編碼；第n波束中的第m個用戶通過執行SIC來消除第n波束中第j個用戶的干擾，n波束中第m個用戶剩余的ID接收信號重寫為

在第n個波束服務的第m個用戶的信干燥比為:

其中，

第n個波束服務的第m個用戶的可達信息率為

R_n,m＝log₂(1+γ_n,m) (28)

在滿足最小通信率的前提下要使收集的能量最大，在S1-S3中對用戶進行了聚類，設計了預編碼矩陣并且進行了功率分配；然后在接收端進行能量收集，使得所收集的能量最大并且不影響正常的數據傳輸ID，將問題表示為：

其中P^EH為收集的總功率，R_m,n為第n束服務的第m個用戶的通信率，R_min為用戶最小通信率；

將(22)、(28)代入(29)得到：

為使得到的收集總功率達到最大，讓每個用戶收集的功率最大，將問題轉換使每一個用戶收集的功率最大：

將(26)，(27)帶入(31)得到：

化簡(32)中的C1:

其中，

化簡(33)有：

然后(32)中的限制條件C1寫為：

根據式(36)可知，滿足約束的β_n,m取最小值時，P_n,m取的最大；據此，得到第n個波束中第m個用戶的最優功率分配系數:

將(37)代入(22)，第n束中第m個用戶的最大收集的能量為：

找到每個用戶的信號分割系數，從而使在接收端收集的功率達到最大。