一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法技术方案

本发明专利技术公开了一种上行MIMO‑NOMA无线通信系统波束成形方法，该方法适用于多小区多用户MIMO‑NOMA无线通信系统上行波束成形，该方法包括以下几个步骤：对于最大化系统总速率问题应用拉格朗日对偶转换和二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式；对于转换后的凸优化问题，应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的波束成形向量。与传统的上行功率分配方法相比，本方法能够得到较好的系统总速率，且应用NOMA的系统性能优于应用正交多址接入系统的性能。

A Beamforming Method for Uplink MIMO-NOMA Wireless Communication System

【技术实现步骤摘要】
一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法
本专利技术涉及无线移动通信领域通信信号传输方法，具体涉及一种上行多入多出非正交多址(MIMO-NOMA)无线通信系统的波束成形的方法。
技术介绍
非正交多址接入技术(Non-OrthogonalMultipleAccess；NOMA)被认为是第五代移动通信的关键技术。非正交多址接入技术的基本思想是在发射端使用叠加编码，使多个用户的信息在同样的时间、频率资源上传输；在接受端采用串行干扰自消除技术(SuccessiveInterferenceCancellation；SIC)进行解码。多输入多输出技术(Multiple-InputMultiple-Output；MIMO)可以同时传输多个数据流，MIMO技术与NOMA系统联合可以进一步提高系统传输速率和频谱利用率。由于NOMA使用串行干扰自消除技术解调时利用的是用户之间的功率差异，所以MIMO-NOMA系统的功率分配和波束成形技术受到广泛的关注。目前已经有很多专家学者对下行MIMO-NOMA功率分配和波束成形方法做了研究，并且证明了NOMA系统性能优于正交多址接入系统。值得一提的是，上行非正交多址接入技术波束成形技术比较困难，目前对上行波束成形方法的研究微乎其微，所以找到一种上行链路波束成形方法极为重要。经对现有技术的文献检索发现，H.Wang等人在《IEEECommunicationsLetters,May.2018,vol.22,no.5,pp.1106-1109.(IEEE通信快报，2018年五月，第22卷，第5期，第1106-1109页)》上发表了题为“ANovelPowerMinimizationPrecodingSchemeforMIMO-NOMAUplinkSystems(一种新的MIMO-NOMA上行链路系统功率最小化预编码方案)”一文，该文在已经分好NOMA簇的基础上，提出了一种基于消除簇间干扰的预编码方法，证明了应用该方法的功率消耗低于应用正交多址接入方法的功率消耗。但是，该方法仅仅考虑单小区，不适用于多小区。另检索发现，C.W.SungandY.Fu在《2016IEEE83rdVehicularTechnologyConference(VTCSpring),2016,pp.1-5.(2016年IEEE第83届车载技术大会，2016年，1-56页)》上发表了题为“AGame-TheoreticAnalysisofUplinkPowerControlforaNon-OrthogonalMultipleAccessSystemwithTwoInterferingCells(具有两个小区的非正交多址接入系统的上行功率控制的博弈分析)”一文，该文对应用博弈方法对多小区NOMA系统的功率分配问题进行研究，构造了分布式功率控制方法，保证收敛到纳什均衡，且在满足一定条件下该均衡在功率消耗上是最优的。但是遗憾的是该研究只考虑了两个用户的情况，且只用于单天线NOMA的场景。另检索发现，H.Wang等人在《IEEECommunicationsLetters,Dec.2018,vol.22,no.12,pp.1-6(IEEE通信快报，2018年十二月，第20卷，第12期，第1-6页)》上发表了题为“PrecodingDesignforTwo-CellMIMO-NOMAUplinkWithCoMPReception(具有协作多点传输的双小区MIMO-NOMA上行链路预编码设计)”，该文以最小功率消耗为目标，提出了一种波束成形方案，对共用同一频率的NOMA用户的预编码矩阵进行联合设计，证明了应用该方法的系统性能优于平均功率和正交多址接入的系统性能。另检索发现，陈钦博等人在2018年申请了一项题为“NOMA多天线系统的波束成形优化方法”(公开号:CN109005592A)的专利，该方法借鉴李雅普诺夫算法解决能量因果性，将时间平均优化问题转化成单时隙优化问题，利用最小均方误差和交替优化算法解决目标函数和约束非凸问题，通过迭代得到每个时刻最优的波束成形矩阵，但是该方法需要进行克罗内克积运算，整个波束成形矩阵优化过程中计算复杂度较高。高一辰等人在2017年公布了一项题为“基于动态解码串行干扰自消除接收机的上行NOMA功率分配方法”，该专利提供了一种基于动态解码的串行干扰自消除接收机的上行NOMA功率分配方法,且使用动态调整解码顺序的串行干扰自消除接收机,获得了相比其他上行NOMA更好的服务质量，但是该方法只考虑了单小区的信道模型，侧重于NOMA簇内用户的干扰消除和解调问题，并不适用于多小区。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对多小区上行MIMO-NOMA无线通信系统的波束成形问题，提出一种基于多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换的波束成形方法。首次利用该方法将非凸的波束成形问题转换成可解的凸优化问题，然后给出一种迭代算法得到每个用户最优的波束成形向量，使得每个用户获得最大传输速率。本专利技术是通过以下技术方案实现的：本专利技术是一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，用于解决多小区MIMO-NOMA无线通信系统上行链路的波束成形问题。本专利技术技术方案具体包括以下步骤：步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，初始化该小区内各用户的波束成形向量，应用多维拉格朗日对偶转换和多维二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式。每个用户的初始化波束成形向量为Bj,k且满足其中表示第j基站服务的第k用户的波束成形向量，Pmax表各小区内每个用户的最大发射功率。首先进行多维拉格朗日对偶转换，引入拉格朗日对偶转换因子，得到其用于更新的表达式表示如下：其中，I代表Nr×Nr维的对角阵，Nr代表基站接受天线的个数，是Bj,k的共轭转置，是Bj,m的共轭转置，分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的波束成形向量；是Bi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的波束成形向量；是hj,k的共轭转置，是hj,m的共轭转置分别表示由基站j服务的第k用户和第m用户的信道信息；是hi,k的共轭转置表示由基站i服务的第k用户的信道信息，K表示每个小区的用户数。其次应用多维二次转换，根据初始波束成形向量、拉格朗日对偶转换因子，引入二次转换辅助向量，得到其用以更新的表达式表示如下：步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；对于转换后的波束成形向量求解问题，可以用朗格朗日乘子法进行求解。；引入拉格朗日乘子后可以得到波束程序向量的闭式解，表示为：其中I代表Nt×Nt维的对角阵，Nt代表用户端发射天线的个数，ηj,k为基站j服务的第k用户的拉格朗日乘子，用来约束基站j服务的第k用户的波束成形向量。步骤三：基站端以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束成形向量发送给用户。本专利技术首先引入了拉格朗日转换因子和二次转换辅助向量，进而得到波束成形向量的闭式解，最后用迭代运算的方法得到最优的波束成形向量，在每次迭代运算中各个辅助变量都要满足收敛的条件，具体的迭代步骤包括：(1)、初始化波束成形向量和拉格朗日辅助变量的值；(2)、根据二次转换辅助向量Yj,k的表达式，更新Yj,k的值；(3)、根据拉格朗日转换本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种上行MIMO‑NOMA无线通信系统波束成形方法，该方法适用于多小区多用户MIMO‑NOMA无线通信系统上行波束成形，其特征在于，其操作方法包括以下步骤：步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，针对最大化系统总速率问题应用拉格朗日对偶转换和二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式；步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；步骤三：基站以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束向量发送给用户。

【技术特征摘要】
1.一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，该方法适用于多小区多用户MIMO-NOMA无线通信系统上行波束成形，其特征在于，其操作方法包括以下步骤：步骤一：基站根据接收到的所有用户信息，针对最大化系统总速率问题应用拉格朗日对偶转换和二次转换得到拉格朗日辅助因子以及二次转换辅助向量的表达式；步骤二：基站应用拉格朗日乘子法，得到波束成形向量的表达式；步骤三：基站以最大系统总速率为目标，应用迭代运算得到每个用户的最优的波束成形向量，并把波束向量发送给用户。2.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，步骤一中求解各辅助变量时系统中存在的小区间干扰和小区内干扰，且信道建模时应该同时包括大尺度衰落和瑞利衰落。3.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成形方法，其特征在于，系统一共存在J个基站且j表示第j个基站，每个基站中的总用户个数为K个且k表示第k个用户，步骤一中基站j服务的第k个用户的波束成形向量为Bj,k，且满足其中Pmax为各个用户的最大发射功率。4.根据权利要求1所述的一种上行MIMO-NOMA无线通信系统波束成...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐友云，申瑞娟，王小明，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32