下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法技术方案

本发明专利技术公开了一种下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法，将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1‑α)T，第二阶段时间为αT；在第一阶段内，近端用户接收基站射频信号，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户进行能量收集，第二部分占比为1‑β，用于近端用户进行用户信息解码，同时远端用户接收基站信号；第二阶段内，近端用户作为中继向远端用户传输信息，远端用户通过选择结合技术解码信号；其中时间分配系数α和功率分配系数β通过求解最优化问题确定。本发明专利技术通过对时间分配系数与功率分配系数进行动态调整，实时平衡近端用户与远端用户之间的数据率差异，同时实现通信系统总数据率最大。

Cooperative Transmission Method Based on Dynamic SWIPT in Downlink NOMA Communication System

The invention discloses a cooperative transmission method based on dynamic SWIPT in downlink NOMA communication system. The system transmission cycle T is divided into two stages, the first stage is (1_a) T and the second stage is alpha T. In the first stage, the near end user receives the base station radio frequency signal and divides the radio frequency signal into two parts, the first part is power ratio beta, which is used for the near end user to advance. In the second stage, the proximal user transmits information as a relay to the distant user, and the distant user decodes the signal by choosing the combination technology. The time allocation coefficient a and power allocation coefficient beta are determined by solving the optimization problem. By dynamically adjusting the time allocation coefficient and the power allocation coefficient, the invention can balance the data rate difference between the near end user and the far end user in real time, and realize the maximum total data rate of the communication system.

【技术实现步骤摘要】
下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法
本专利技术属于NOMA通信系统
，更为具体地讲，涉及一种下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法。
技术介绍
非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess，NOMA)是5G的一个热门技术。NOMA跟以往的多址接入技术不同，NOMA采用非正交的功率域编码技术来区分用户，所谓非正交就是说不同用户的数据可以在同一个时隙，同一个频点上传输，而仅仅依靠数据编码功率的不同来区分用户。根据研究表明，在下行NOMA通信系统中，小区内用户因距离基站距离不同会导致较为明显的数据率差异，即近端用户(距离基站较近)的数据率较优，而远端用户(距离基站较远)的数据率较差，如何平衡近端用户与远端用户之间的数据率差异，是下行NOMA通信系统发展的一个重要问题。目前在下行NOMA通信系统中，业内提出了一种基于SWIPT(SimultaneousWirelessInformationandPowerTransfer，无线携能通信技术)的协作传输方法。SWIPT是一种将无线能量传输与无线信息传输相结合的技术，可以在完成能量传输与收集的同时，实现高效可靠的通信。图1是两用户下行NOMA通信系统基于SWIPT的协作传输方法示意图。如图1所示，两用户下行NOMA通信系统中基站S与近端用户UN、远端用户UF建立通信链路。在基于SWIPT的协作传输方法中，对近端用户UN的时域进行划分，第一阶段UN接收信号和能量，第二阶段，UN作为中继与远端用户UF进行通信，从而提高远端用户的数据率。但在现有的研究中，SWIPT协议中的时间分配系数固定(通常设置为0.5)，而仅对功率分配系数进行优化分析，这种方法对于远端用户的数据率提升效果较为有限，且不能充分改善两用户之间的数据率公平性问题，还需要进行进一步的研究。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法，通过对时间分配系数与功率分配系数进行动态调整，实时平衡近端用户(距离基站较近)与远端用户(距离基站较远)之间的数据率差异，同时实现通信系统总数据率最大。为实现上述专利技术目的，本专利技术下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法具体如下：下行NOMA通信系统中包括基站S，以及被基站S所覆盖的近端用户UN、远端用户UF，其特征在于：将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1-α)T，第二阶段时间为αT，其中α表示时间分配系数，0＜α＜1；在第一阶段内，近端用户UN接收基站S发射的射频信号，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户UN进行能量收集，第二部分功率占比为1-β，用于近端用户UN进行用户信息解码，功率分配系数β的取值范围为0＜β＜1；与此同时，远端用户UF接收基站S发射的射频信号用于信息解码；第二阶段内，近端用户UN借助第一阶段收集的能量，作为一个中继向远端用户UF传输信息；远端用户UF通过选择结合技术，从基站S发射信号、UN发射信号中选择信噪比更高的信号进行解码；其中，时间分配系数α和功率分配系数β通过求解以下最优化问题确定：其中，Rs(α,β)表示系统总数据率，表示近端用户UN处解码信号的目标数据率，表示远端用户UF处解码信号的目标数据率；表示近端用户UN的中断概率，其表达式如下：其中，e为自然常数，pi表示用户Ui功率编码系数的平方，i＝N,F，Ps表示基站S的射频信号发射功率，表示基站S与用户Ui之间的距离，L表示路径损耗系数，σ表示噪声方差；表示远端用户中断概率，其表达式如下：其中，I表示预设的近似参数组数量，K1(·)为第二类修正贝塞尔函数，本专利技术下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法，将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1-α)T，第二阶段时间为αT；在第一阶段内，近端用户接收基站射频信号，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户进行能量收集，第二部分占比为1-β，用于近端用户进行用户信息解码，同时远端用户接收基站信号；第二阶段内，近端用户作为中继向远端用户传输信息，远端用户通过选择结合技术解码信号；其中时间分配系数α和功率分配系数β通过求解最优化问题确定。本专利技术通过对时间分配系数与功率分配系数进行动态调整，实时平衡近端用户与远端用户之间的数据率差异，同时实现通信系统总数据率最大。附图说明图1是两用户下行NOMA通信系统基于SWIPT的协作传输方法示意图；图2是本专利技术中动态SWIPT协议示意图；图3是本实施例中最优分配系数求解方法的流程图；图4是本专利技术和两种对比方法中用户中断概率随传输信噪比变化的对比曲线图；图5是本专利技术和两种对比方法中用户中断概率随时间分配系数变化的对比曲线图；图6是本专利技术和两种对比方法中用户中断概率随功率分配系数变化的对比曲线图；图7是本专利技术和两种对比方法中系统吞吐量随传输信噪比变化的对比曲线图；图8是本专利技术和两种对比方法中远端用户吞吐量随传输信噪比变化的对比曲线图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员更好地理解本专利技术。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和设计的详细描述也许会淡化本专利技术的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。实施例为了更好地说明本专利技术的技术方案，先对如图1所示的两用户下行NOMA通信系统进行详细说明。如图1所示，在下行NOMA通信系统中，近端用户UN、远端用户UF均配备多天线，并工作在半双工模式下。本专利技术假设系统中基站到用户的无线信道均为独立同分布瑞利信道，信道系数用hwv(w∈{S,UN},v∈{UN,UF})表示，背景噪声ni(i∈{N,F})是复高斯随机变量，且均值为0，方差为σ2，且假设基站S处信道状态信息已知。为降低远端用户UF的中断概率，改善近端用户UN与远端UF之间的数据率差异，本专利技术在近端用户UN处应用动态SWIPT协议。图2是本专利技术中动态SWIPT协议示意图。如图2所示，本专利技术将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1-α)T，第二阶段时间为αT，其中α表示时间分配系数，其取值范围为0＜α＜1。在第一阶段内，近端用户UN接收基站S发射的射频信号，该射频信号包括近端用户信息xN和远端用户信息xF，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户UN进行能量收集，第二部分功率占比为1-β，用于近端用户UN进行用户信息解码，功率分配系数β的取值范围为0＜β＜1；与此同时，远端用户UF接收基站S发射的射频信号用于信息解码，该射频信号包括远端用户信息。第二阶段内，近端用户UN借助第一阶段收集的能量，作为一个中继向远端用户UF传输信息，即远端用户信息xF；远端用户UF通过选择结合技术，从基站S发射信号、UN发射信号中选择信噪比更高的信号进行解码。下面分别对两个阶段的详细数学推导过程进行说明：●第一阶段：根据NOMA协议，基站S对用户信息xi(i＝N,F)进行功率域编码，编码系数为并有E[]表示求取期望。这里假设0＜pN＜pF＜1、pN+pF＝1。在基站S处，编码信号以功率Ps进行发射，因此，用户Ui接收基站S发来的射频信号本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法，下行NOMA通信系统中包括基站S，以及被基站S所覆盖的近端用户UN、远端用户UF，其特征在于：将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1‑α)T，第二阶段时间为αT，其中α表示时间分配系数，0＜α＜1；在第一阶段内，近端用户UN接收基站S发射的射频信号，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户UN进行能量收集，第二部分功率占比为1‑β，用于近端用户UN进行用户信息解码，功率分配系数β的取值范围为0＜β＜1；与此同时，远端用户UF接收基站S发射的射频信号用于信息解码；第二阶段内，近端用户UN借助第一阶段收集的能量，作为一个中继向远端用户UF传输信息；远端用户UF通过选择结合技术，从基站S发射信号、UN发射信号中选择信噪比更高的信号进行解码；其中，时间分配系数α和功率分配系数β通过求解以下最优化问题确定：

【技术特征摘要】
1.一种下行NOMA通信系统中基于动态SWIPT的协作传输方法，下行NOMA通信系统中包括基站S，以及被基站S所覆盖的近端用户UN、远端用户UF，其特征在于：将系统传输周期T分为两个阶段，第一阶段时间为(1-α)T，第二阶段时间为αT，其中α表示时间分配系数，0＜α＜1；在第一阶段内，近端用户UN接收基站S发射的射频信号，将该射频信号划分为两个部分，第一部分功率占比为β，用于近端用户UN进行能量收集，第二部分功率占比为1-β，用于近端用户UN进行用户信息解码，功率分配系数β的取值范围为0＜β＜1；与此同时，远端用户UF接收基站S发射的射频信号用于信息解码；第二阶段内，近端用户UN借助第一阶段收集的能量，作为一个中继向远端用户UF传输信息；远端用户UF通过选择结合技术，从基站S发射信号、UN发射信号中选择信噪比更高的信号进行解码；其中，时间分配系数α和功率分配系数β通过求解以下最优化问题确定：其中，Rs(α,β)表示系统总数据率，表示近端用户UN处解码信号的目标数据率，表示远端用户UF处解码信号的目标数据率；表示近端用户UN的中断概率...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨凯，阎啸，秦开宇，王茜，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51