一种基于MIMO-NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法技术

本发明专利技术公开了一种基于MIMO

【技术实现步骤摘要】
一种基于MIMO
‑
NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法


[0001]本专利技术涉及无线通信
，具体涉及一种基于MIMO
‑
NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法。

技术介绍

[0002]随着无线数据流量和移动设备数量的激增，5G蜂窝网络越来越需要提供更高的频谱效率和更多的连接量。根据思科可视网络指数(VNI)预测，到2023年，5G速度预计将比2018年的平均移动连接速度提高约13倍，同时移动设备数量预计将从88亿台增长到131亿台。为了应对这些前所未有的挑战，小蜂窝通信技术被认为是5G中最有前途的解决方案之一，它可以提供更大的网络容量，满足大量用户的业务需求。然而，由于超密集小蜂窝通信造成过度的频率复用，从而引起严重的同频干扰。为了解决该问题，通过将非正交多址接入(NOMA)技术应用至小蜂窝通信中是一种非常有前景的解决方案。具体而言，利用多输入多输出(MIMO)辅助NOMA技术来增强小蜂窝通信，通过合理的波束成型、接收滤波器、功率分配优化设计来显著提高频谱效率，同时保证通信可靠性要求。
[0003]为支持接入更多的用户，5G系统中小蜂窝通信技术通过更加频繁的频率复用技术来显著提高系统容量。然而过度的频率复用也会引入很强的同频干扰，这给大规模通信系统设计造成很大挑战。为进一步提高小蜂窝系统容量，亟待采用MIMO结合NOMA的方式来进一步增强小蜂窝通信性能。然而在实际通信系统中，信道状态信息很难被完美的估计出，必然会存在估计误差。因此，在实际的通信系统中，应当考虑不完美信道状态信息条件下的通信系统设计问题。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是为了解决现有技术中的上述缺陷，提供一种基于MIMO
‑
NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法，通过合理的波束成型、接收滤波器、功率分配优化设计方案来显著提高频谱效率，同时保证通信可靠性要求。
[0005]本专利技术的目的可以通过采取如下技术方案达到：
[0006]一种基于MIMO
‑
NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法，所述方法的实现步骤如下：
[0007]S1、初始化系统参数，确定基站天线数M与用户天线数N，每根发送天线的发射功率为P，K个非正交多址接入(NOMA)的用户对，以及经过测量得到的信道统计状态信息集合
[0008][0009]其中，是基站z到近端用户k的已知信道状态，R
rk
表示信道估计误差的接收协方差矩阵，R
tk
表示信道估计误差的发送协方差矩阵，是基站z到远端用户的已知信道状态，表示信道估计误差的接收协方差矩阵，表示信道估计误差的发送协方差矩阵，d
k
为基站z到用户k的距离，为基站z到用户的距离，α表示路径损耗指
数，σ2为加性高斯白噪声的方差，σ
h2
为测量误差的方差，ρ
I
表示干扰平均功率，λ
b
为基站的部署密度，k∈[1,K]；
[0010]S2、通过如下方程分别确定用户k的接收滤波器u
k
以及用户的接收滤波器其中，向量且满足|z
k
|2＝1，由矩阵的零奇异值所对应的(2N
‑
K)个右奇异向量所组成，矩阵为天线选择矩阵且满足L
H
L＝I
K
，其中(
·
)
H
表示矩阵共轭运算，I
K
为K阶单位矩阵；
[0011]S3、确定基站端的预编码矩阵V＝LG
‑
H
D，其中矩阵G＝(g1,
…
,g
K
)，且矩阵G中组成的列向量由给定，对角矩阵符号(
·
)
‑
H
表示矩阵共轭求逆运算，符号为根号运算，符号(
·
)
m,n
为矩阵的第m行第n列所对应的元素；
[0012]S4、通过如下优化问题求解所有NOMA用户最优传输速率
[0013][0014][0015][0016]其中，R
k
与分别为近端用户k与远端用户的信息传输速率，与分别为近端用户k与远端用户在给定统计信道状态信息条件下的中断概率，β
k2
为传输给近端用户k信息的功率分配因子，ε表示最大可允许中断概率。
[0017]进一步地，所述的步骤S2中向量z
k
与天线选择矩阵L通过如下过程进行确定：
[0018]S201、构造z
k
的候选值集合且其中集合中每个候选向量只有一个元素为1其他元素均为0；同样地，构造天线选择矩阵L的候选值集合其中每个候选矩阵的每列恰好只包含一个1元素，而每一行中最多包含一个1元素，其他地方均为0；
[0019]S202、根据向量z
k
与天线选择矩阵L候选值组合确定每对用户的有效信道增益γ
k
＝1/(G
‑1G
‑
H
)
k,k
；
[0020]S203、找出最小的有效信道增益，即γ
min,i
＝min{γ1,
…
,γ
K
}，i为天线z
k
与L候选值组合的序号；
[0021]S204、找出使最小有效信道增益最大化的组合序号i，即从而确定z
k
与L的合理组合。
[0022]进一步地，所述的步骤S4中非凸优化问题通过包括连续凸优化或者内点法在内的优化工具进行求解。
[0023]进一步地，所述的步骤S4中选择通过忽略NOMA连续译码之间的相关性来获得的上界，不但可以简化优化问题的求解，而且可以对通信系统进行鲁棒性设计。
[0024]本专利技术相对于现有技术具有如下的优点及效果：
[0025]1、本专利技术充分考虑了信道的不确定性、同频干扰源位置的随机性对系统优化设计的影响；
[0026]2、将中断概率的近似表达式代入到优化问题中可以大大简化优化方案的设计；
[0027]3、与有预编码MIMO
‑
正交多址接入技术(OMA)、无预编码MIMO
‑
OMA、以及无预编码MIMO
‑
NOMA方案相对比，本专利技术所提出优化方案可以带来显著的吞吐量提升。
附图说明
[0028]图1是本专利技术中公开的MIMO
‑
NOMA增强的小蜂窝下行通信方法的实施流程图；
[0029]图2是条件中断概率与信道K因子之间的关系图；
[0030]图3是本专利技术所提出技术与其他参考技术的吞吐量性能对比图。
具体实施方式
[0031]为使本专利技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于MIMO
‑
NOMA的增强型小蜂窝下行通信方法，其特征在于，所述方法的实现步骤如下：S1、初始化系统参数，确定基站天线数M与用户天线数N，每根发送天线的发射功率为P，K个非正交多址接入的用户对，以及经过测量得到的信道统计状态信息集合其中，是基站z到近端用户k的已知信道状态，R
rk
表示信道估计误差的接收协方差矩阵，R
tk
表示信道估计误差的发送协方差矩阵，是基站z到远端用户的已知信道状态，表示信道估计误差的接收协方差矩阵，表示信道估计误差的发送协方差矩阵，d
k
为基站z到用户k的距离，为基站z到用户的距离，α表示路径损耗指数，σ2为加性高斯白噪声的方差，σ
h2
为测量误差的方差，ρ
I
表示干扰平均功率，λ
b
为基站的部署密度，k∈[1,K]；S2、通过如下方程分别确定用户k的接收滤波器u
k
以及用户的接收滤波器其中，向量且满足|z
k
|2＝1，由矩阵的零奇异值所对应的(2N
‑
K)个右奇异向量所组成，矩阵为天线选择矩阵且满足L
H
L＝I
K
，其中(
·
)
H
表示矩阵共轭运算，I
K
为K阶单位矩阵；S3、确定基站端的预编码矩阵V＝LG
‑
H
D，其中矩阵G＝(g1,
…
,g
K
)，且矩阵G中组成的列向量由给定，对角矩阵符号(
·
)
‑
H
表示矩阵共轭求逆运算，符号为根号运算，符号(
·
)
m,n
为矩阵的第m行第n列所对应的元素；S4、通过如下优化问题求解所有NOMA用户最优传输...

【专利技术属性】
技术研发人员：施政，冯佳慧，杨光华，窦庆萍，欧彬凯，马少丹，塞奥佐罗斯，
申请(专利权)人：暨南大学，
类型：发明
国别省市：