一种毫米波mMIMO-NOMA系统下的用户分组和功率分配方法技术方案

本发明专利技术属于无线通信技术领域，具体涉及一种毫米波mMIMO

【技术实现步骤摘要】
一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法。

技术介绍

[0002]毫米波和大规模MIMO技术的结合满足未来5G网络的需求，二者的结合具有很大潜力，例如增强系统吞吐量、扩大覆盖范围、提高频谱效率和能源效率等。在传统MIMO系统中，为实现全数字信号处理，每个天线需要对应一个RF链，这必将导致无法承受的硬件成本和能耗。因此，混合预编码(HP)被提出，其能解决明显性能损失和RF链数量的问题。基于对更高频谱效率的追求，非正交多址接入技术(NOMA)被引入。相比于传统的正交多址技术(OMA)，NOMA在频谱效率和能量效率方面具有明显的性能优势。NOMA与毫米波大规模技术相结合，使得每个波束可以在同一时间和频率上支持多个设备，借助于NOMA的波束内叠加编码(SC)和连续干扰消除(SIC)技术，提高了多路复用增益，节省了RF链和移相器网络，从而有效降低运行成本和能量效耗。
[0003]除频谱效率外，能效也是一个关键的性能指标，绿色通信是新一代通信理念的重要一环，与风能、太阳能等受环境影响较大的绿色能源相比，无线能量采集技术能为无线设备提供更加可控且稳定的能量供应。因此，SWIPT技术近年来引起了研究者极大的兴趣。SWIPT的原理是使用功率分割接收器从接收到的射频信号中提取信息和能量，这为探索更节能的网络提供了可能，特别是对于拥有数百万无线设备的物联网而言，这种节能的特性格外重要。然而，为促进多用户系统中的高效SWIPT，必须仔细考虑信息速率和收集的能量之间的权衡，这是由于用户间干扰通常对信息解码(Information decoding,ID)有害，对能量收获有益(Energy harvesting,EH)。
[0004]现有技术中已有基于均方误差(MSE)准则，针对多小区多用户下行SWIPT系统，进行了联合收发器和功率分流设计，其优化了系统的能效，但仍在存在以下挑战：
[0005]1.由于NOMA波束内存在多用户，波束内干扰的存在使得针对SWIPT
‑
MIMO系统的功率分配方案无法直接应用。
[0006]2.由于NOMA波束内及波束间均存在干扰，因此不合理的用户分组方案会严重降低系统性能。
[0007]3.对SWIPT而言，波束间干扰对能量收集有益，对信息解码有害，因此需要做出权衡，选取适合的功率分割因子；对整个MIMO
‑
NOMA系统而言，需要尽可能消除波束间干扰的影响，因此功率分配和功率分割因子的耦合问题需要解决。
[0008]综上所述，亟需一种针对多波束场景，联合优化功率分配和SWIPT功率分割因子的优化方法，其在尽可能保证公平性的前提下，可实现可达速率的最大化，从而提高了频谱效率和能效。

技术实现思路

[0009]针对现有技术存在的不足，本专利技术提出了一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法，该方法包括：
[0010]S1：接收用户下行信号并根据用户下行信号表示用户可达速率；
[0011]S2：采用簇头选择算法获取每个波束的簇头并将所有簇头放入簇头集合；
[0012]S3：根据簇头集合进行模拟预编码和用户分组，得到用户的等效信道向量和用户分组结果；
[0013]S4：根据用户的等效信道向量和用户分组结果进行数字预编码，得到数字预编码向量；
[0014]S5：根据用户可达速率构建功率分配和功率分割因子联合优化问题；
[0015]S6：采用迭代优化算法将非凸的功率分配和功率分割因子联合优化问题转化为凸优化问题；求解凸优化问题，得到最佳功率分配方案。
[0016]优选的，计算用户可达速率的过程包括：
[0017]功率分割接收器将用户下行信号分割为能量收集信号和信息解码信号；
[0018]对信息解码信号进行串形干扰删除，得到消除部分干扰后的剩余信号；
[0019]根据剩余信号以及噪声加干扰计算用户可达速率；
[0020]进一步的，计算用户可达速率的公式表示为：
[0021][0022]其中，R
m,n
表示第m个波束中第n个用户的可达速率，d
m
表示数字预编码向量，表示第m个波束中第n个用户的等效信道向量，p
m,n
表示第m个波束中第n个用户的发射功率，θ
m,n
表示第m个波束中第n个用户的信号噪声加干扰比。
[0023]优选的，采用簇头选择算法获取每个波束的簇头的过程包括：
[0024]S21：选择信道增益最高的用户作为首个波束的簇头；
[0025]S22：将剩余用户中与当前所选簇头信道相关性小于信道相关性阈值的用户作为下一波束簇头的候选用户；若候选用户数为0，则执行步骤S24；
[0026]S23：从候选用户中选择信道增益最高的用户作为下一波束的簇头，返回步骤S22；
[0027]S24：若存在未分配的波束，则增大信道相关性阈值。
[0028]优选的，步骤S3中，得到用户的等效信道向量的公式为：
[0029][0030]其中，表示第n个用户的等效信道向量，表示第n个用户的信道向量，A表示模拟预编码矩阵。
[0031]优选的，步骤S3中，进行用户分组的公式为：
[0032][0033]其中，表示用户被分组到波束表示第n个用户的等效信道向量，表示
第m个波束中簇头的信道向量，表示第n个用户的信道向量。
[0034]优选的，所述功率分配和功率分割因子联合优化问题表示为：
[0035][0036]s.t.C1:P
m,n
≥0
[0037][0038][0039][0040]其中，表示第m个波束中第n个用户的可达速率为最小值，P
m,n
表示第m个波束中第n个用户的发射功率，β
m,n
表示第m个波束中第n个用户的功率分割因子，N
RF
表示射频链数量，S
m
表示波束内的用户数，P
t
表示基站的最大总传输功率，R
m,n
表示第m个波束中第n个用户的可达速率，表示第m个波束中第n个用户的最低速率要求，表示用户接收到的能量，表示第m个波束中第n个用户的最小收集能量。
[0041]优选的，将功率分配和功率分割因子联合优化问题转化为凸优化问题的过程包括：根据数字预编码向量和用户的等效信道向量确认用户消除部分干扰后的剩余信号；使用最小均方误差检验根据所有用户消除部分干扰后的剩余信号重写用户的可达速率，得到重写优化问题的的目标函数；使用迭代优化算法根据重写的目标函数生成新目标函数；引入新变量和新约束，重写优化问题的约束条件，得到凸优化问题。
[0042]本专利技术的有益效果为：首先，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法，其特征在于，包括：S1：接收用户下行信号并根据用户下行信号表示用户可达速率；S2：采用簇头选择算法获取每个波束的簇头并将所有簇头放入簇头集合；S3：根据簇头集合进行模拟预编码和用户分组，得到用户的等效信道向量和用户分组结果；S4：根据用户的等效信道向量和用户分组结果进行数字预编码，得到数字预编码向量；S5：根据用户可达速率构建功率分配和功率分割因子联合优化问题；S6：采用迭代优化算法将非凸的功率分配和功率分割因子联合优化问题转化为凸优化问题；求解凸优化问题，得到最佳功率分配方案。2.根据权利要求1所述的一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法，其特征在于，计算用户可达速率的过程包括：功率分割接收器将用户下行信号分割为能量收集信号和信息解码信号；对信息解码信号进行串形干扰删除，得到消除部分干扰后的剩余信号；根据剩余信号以及噪声加干扰计算用户可达速率。3.根据权利要求2所述的一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法，其特征在于，计算用户可达速率的公式表示为：其中，R
m,n
表示第m个波束中第n个用户的可达速率，d
m
表示数字预编码向量，表示第m个波束中第n个用户的等效信道向量，p
m,n
表示第m个波束中第n个用户的发射功率，θ
m,n
表示第m个波束中第n个用户的信号噪声加干扰比。4.根据权利要求1所述的一种毫米波mMIMO
‑
NOMA系统下的用户分组和功率分配方法，其特征在于，采用簇头选择算法获取每个波束的簇头的过程包括：S21：选择信道增益最高的用户作为首个波束的簇头；S22：将剩余用户中与当前所选簇头信道相关性小于信道相关性阈值的用户作为下一波束簇头的候选用户；若候选用户数为0，则执行步骤S24；S23：从候选用户中选择信道增益最高的用户作为下一波束的簇头，返回步骤S22；S24：若存在未分配的波束，则增大信...

【专利技术属性】
技术研发人员：李贵勇，高馨雨，于晓娜，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：