基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法

摘要

本发明提供了一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，本发明利用NOMA技术通过功率域实现多址接入，使同一传输资源被更多用户利用，提升了上行场景的频谱效率。同时由于动态调整解码顺序的SIC接收机的使用，获得了相比其他上行NOMA更好的服务质量。而且本发明提出的用户发送功率分配策略，由于充分考虑信道情况和CSI较差用户的服务质量，解决了其他分配策略用户间公平性不佳的问题，获得了更高的传输性能增益。

权利要求

1.一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，包括：

在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源；

每个用户按照某一预设的固定发送功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案，包括：对每个cluster内的三个用户，所述基站请求获取每个用户的最大发送功率和传送速率门限的信息，并通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数，并且所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3，其中序号越大表示这一乘积越小，相应的用户分配到的固定发送功率就越小，这样第m个用户的发送功率就可以表示为Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(3)+ωPLm，其中ω为一给定常数，P和ρ为待定系数，m为1至3中的任意值；

所述基站接收到三个用户的叠加信号，及通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除并解码出每个用户的信息。

2.如权利要求1所述的基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：所述基站采用动态顺序解码，按照瞬时接收功率由大到小对所述叠加信号进行解码和干扰消除，最终得到三个用户的信息。

3.如权利要求1所述的基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，包括：在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，并为每个簇分配相互正交的时域、频段或码字的资源。

4.如权利要求1所述的基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3之后，还包括：基站通过预设的公式做出三个用户平的均传输中断概率随SNR和ρ的变化曲线，其中，所述平均中断概率是一种服务质量的评价指标，当信道容量小于给定速率门限时会发生中断，然后结合之前得到的每个用户的最大发送功率，得到最优的P和ρ取值，并广播给用户。

5.如权利要求4所述的基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，广播给用户之后，还包括：每个cluster内的用户通过共享资源完成NOMA传输。

6.如权利要求5所述的基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，其特征在于，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：基站实时测算每个用户的CSI，结合已知的发送功率和PL参数，推断出当前这三个用户接收功率的顺序，将其由大到小设为用户A、B和C；

基站按动态顺序进行SIC解码，先将其他用户信号作为干扰解码用户A的信息，然后在解码用户B时将已知的用户A的干扰消除，而用户C的信息继续作为干扰项。

说明书

基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法

技术领域

[0001] 本发明涉及一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法。

背景技术

[0002] 未来的第五代移动通信需要实现高速率通信，支持大量的用户接入设备，并有较好的时延性能和可靠性。为实现这些目标，非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access，下称NOMA)被越来越多的人推荐应用在第五代通信系统中。另外，现有技术中的有关术语如下：OMA(orthogonal multiple access正交多址接入)，SIC(successive interference cancellation串行干扰消除)，MUST(multiuser superposition transmission多用户叠加传输)，UE(user equipment用户设备)。

[0003] NOMA通过接收方的串行干扰消除技术(successive  interference cancellation，下称SIC)，实现了对发送方多个用户的叠加信号的解码，从而达到较高的频谱利用率。NOMA的主要特征是利用功率域实现多址接入，而不是先前移动网络中利用时间、频段和码字。传统正交频分多址接入技术中，当带宽资源分配到信道情况(channel state information，下称CSI)较差的用户时，系统的频谱效率就会大大下降。而NOMA的使得子载波可以被每个用户所利用，通过CSI较好的用户分占一部分较差用户的频段得到系统频谱效率的提升。

[0004] 传统基于正交多址接入的机会传输策略通常会给CSI较好的用户更多的传送机会，尽管提升了系统总吞吐量，但有悖于第五代移动通信对用户间公平性的要求。而基于NOMA的传输策略可以规避这一问题。

[0005] 现有技术一的技术方案:

[0006] 第三代合作伙伴项目(3rd generation partnership project，下称3GPP)针对升级版长期演进网络(long-term evolution advanced network，下称LTE-A)，提出了一种可应用于第五代移动通信的多用户叠加传输(multiuser superposition transmission，下称MUST)机制。MUST其实是一种下行场景的NOMA，进而产生了许多不同的基于MUST机制的NOMA实现。

[0007] 以下是对MUST的基本构架描述。基站为用户A和用户B提供服务，其中两个用户的信号在相同的时域、码字和频段传输，但有着不同的功率。基站分别为两个用户发送相同的叠加信号。与传统功率分配策略(如注水算法)不同，发送给CSI较差用户的信号将被分配更多的功率，以便其能够将其他用户的信号当做噪声直接解码自己的信息。而CSI较好的用户需要首先解码另外一个用户的信息，在利用SIC将接收到的叠加信号中属于另一用户的干扰信号取消，然后才能成功解码自己的信息。

[0008] MUST中功率分配系数是设计系统的关键。假设下行发送叠加信息的总功率固定为P，则用户A和B的信号分别以PA和PB发送。实际应用中往往以优化总互信息量或者总容量为准则，设计PA和PB的取值。

[0009] 现有技术一的缺点:

[0010] 尽管相比MUST充分利用了NOMA的特点，使频谱效率得到提升。但它仅仅提出了NOMA在下行场景下的应用，缺乏对上行场景的描述；另外其根据总容量或总互信息设计功率分配系数往往导致用户间公平性不佳的问题。

[0011] 现有技术二的技术方案:

[0012] 为将NOMA技术应用于上行传输场景中，有学者设计了类似MUST的传输策略。其中一个小区中有一个基站和若干个用户(假设为M个)，其中将这些用户根据到基站的距离排序，距离越远的用户路径损失(下称PLm)越大，相应序号越大。所有的用户都以某一固定功率向基站发送信号，假设第m个用户的发送功率为Pm，Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(M)+ωPLm，其中P和ω为某固定常数。基站采用SIC接收机，按照固定的解码顺序，先将其他用户信号当做干扰解码序号最大的用户的信息，然后在解码序号第二大用户时将第一个用户的干扰消除，以此类推。

[0013] 现有技术二的缺点

[0014] 尽管这一方案给出了合理的NOMA在上行场景中的应用，但首先其用户解调次序仅根据路损大小关系来排序，且功率分配过程中也是使得排序越靠后(即路损越大的用户)到达基站的长时平均信号功率越差，使得各个用户的公平性不能得到保证。另外这一方案中固定解码顺序并不能反映出瞬时各个用户接收信号质量，并不能达到最优解调的性能，也达不到各个用户公平性的要求。

[0015] 目前NOMA在上行场景中的应用较少，现有的上行NOMA机制中用户的功率分配策略以及基站SIC接收机解码顺序策略不完善，往往导致不能充分发挥系统的传输潜能的问题，而且对于信道情况较差用户的服务质量难以保证，不能体现NOMA的优势。

发明内容

[0016] 本发明的目的在于提供一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，能够解决基站使用SIC的解码顺序以及不同用户间发送功率分配的问题。

[0017] 为解决上述问题，本发明提供一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，包括：

[0018] 在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源；

[0019] 每个用户按照某一预设的固定发送功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案；

[0020] 所述基站接收到三个用户的叠加信号，及通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除并解码出每个用户的信息。

[0021] 进一步的，在上述方法中，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：

[0022] 所述基站采用动态顺序解码，按照瞬时接收功率由大到小对所述叠加信号进行解码和干扰消除，最终得到三个用户的信息。

[0023] 进一步的，在上述方法中，在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，包括：

[0024] 在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，并为每个簇分配相互正交的时域、频段或码字的资源。

[0025] 进一步的，在上述方法中，每个用户按照某一预设的固定发送功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案，包括：

[0026] 对每个cluster内的三个用户，所述基站请求获取每个用户的最大发送功率和传送速率门限的信息，并通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数。

[0027] 进一步的，在上述方法中，通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数之后，还包括：

[0028] 所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3，其中序号越大表示这一乘积越小，相应的用户分配到的固定发送功率就越小，这样第m个用户的发送功率就可以表示为Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(3)+ωPLm，其中ω为一给定常数，P和ρ为待定系数，m为1至3中的任意值。

[0029] 进一步的，在上述方法中，所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3之后，还包括：

[0030] 基站通过预设的公式做出三个用户平的均传输中断概率随SNR和ρ的变化曲线，其中，所述平均中断概率是一种服务质量的评价指标，当信道容量小于给定速率门限时会发生中断，然后结合之前得到的每个用户的最大发送功率，得到最优的P和ρ取值，并广播给用户。

[0031] 进一步的，在上述方法中，广播给用户之后，还包括：

[0032] 每个cluster内的用户通过共享资源完成NOMA传输。

[0033] 进一步的，在上述方法中，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：

[0034] 基站实时测算每个用户的CSI，结合已知的发送功率和PL参数，推断出当前这三个用户接收功率的顺序，将其由大到小设为用户A、B和C；

[0035] 基站按动态顺序进行SIC解码，先将其他用户信号作为干扰解码用户A的信息，然后在解码用户B时将已知的用户A的干扰消除，而用户C的信息继续作为干扰项。

[0036] 与现有技术相比，本发明利用NOMA技术通过功率域实现多址接入，使同一传输资源被更多用户利用，提升了上行场景的频谱效率。同时由于动态调整解码顺序的SIC接收机的使用，获得了相比其他上行NOMA更好的服务质量。而且本发明提出的用户发送功率分配策略，由于充分考虑信道情况和CSI较差用户的服务质量，解决了其他分配策略用户间公平性不佳的问题，获得了更高的传输性能增益。

附图说明

[0037] 图1是本发明一实施例的上行NOMA系统的架构示意图；

[0038] 图2是本发明一实施例的关键步骤图；

[0039] 图3是本发明一实施例的基站SIC解码的示意图；

[0040] 图4是本发明一实施例的给给定速率门限下，平均中断概率随功率分配策略的变化趋势图；

[0041] 图5为不同类型接收机平均中断概率随功率分配策略的变化趋势图。

具体实施方式

[0042] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0043] 本发明提供一种基于动态解码SIC接收机的上行NOMA功率分配方法，包括：

[0044] 步骤S1，在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源；

[0045] 步骤S2，每个用户按照某一预设的固定发送功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案；

[0046] 步骤S3，所述基站接收到三个用户的叠加信号，及通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除并解码出每个用户的信息。具体的，如图1所示的上行场景中，一个小区内有一个基站和m个用户。这些用户被分成若干个cluster(簇)，每个cluster包含三个用户，它们通过NOMA模式分享同一上行资源，不同cluster之间采用不同上行资源。每个用户按照某一预设的固定功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案。基站接收到的信号是三个用户信号的叠加，通过SIC接收机进行干扰消除，从而解码出每个用户的信息。本发明将NOMA应用到上行通信场景中，主要解决基站使用SIC的解码顺序以及不同用户间发送功率分配的问题，提高了系统的总体传输效率，并充分考虑用户间公平性。

[0047] 优选的，步骤S3，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：

[0048] 所述基站采用动态顺序解码，按照瞬时接收功率由大到小对所述叠加信号进行解码和干扰消除，最终得到三个用户的信息。具体的，基站采用动态顺序解码，按照瞬时接收功率由大到小进行解码和干扰消除，最终得到三个用户的信息。

[0049] 优选的，步骤S1，在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，包括：

[0050] 在设置有一个基站的小区中，将用户分成若干个簇，每个cluster包含三个用户簇，同一簇内的用户通过NOMA模式分享同一上行资源，不同簇之间采用不同上行资源，并为每个簇分配相互正交的时域、频段或码字的资源。

[0051] 优选的，步骤S2，每个用户按照某一预设的固定发送功率进行发送，这一功率是按照某些准则选取的最优方案，包括：

[0052] 对每个cluster内的三个用户，所述基站请求获取每个用户的最大发送功率和传送速率门限的信息，并通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数。

[0053] 优选的，通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数之后，还包括：

[0054] 所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3，其中序号越大表示这一乘积越小，相应的用户分配到的固定发送功率就越小，这样第m个用户的发送功率就可以表示为Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(3)+ωPLm，其中ω为一给定常数，P和ρ为待定系数，m为1至3中的任意值。

[0055] 优选的，所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3之后，还包括：

[0056] 基站通过预设的公式做出三个用户平的均传输中断概率随SNR和ρ的变化曲线，其中，所述平均中断概率是一种服务质量的评价指标，当信道容量小于给定速率门限时会发生中断，然后结合之前得到的每个用户的最大发送功率，得到最优的P和ρ取值，并广播给用户。

[0057] 优选的，广播给用户之后，还包括：

[0058] 每个cluster内的用户通过共享资源完成NOMA传输。

[0059] 优选的，步骤S3，所述基站通过SIC接收机对所述叠加信号进行干扰消除后，解码出每个用户的信息，包括：

[0060] 基站实时测算每个用户的CSI，结合已知的发送功率和PL参数，推断出当前这三个用户接收功率的顺序，将其由大到小设为用户A、B和C；

[0061] 基站按动态顺序进行SIC解码，先将其他用户信号作为干扰解码用户A的信息，然后在解码用户B时将已知的用户A的干扰消除，而用户C的信息继续作为干扰项。

[0062] 详细的，如图2所示，本发明的关键步骤如下：

[0063] 1.用户分组，按三个一组将用户分成cluster，并为每个cluster分配相互正交的时域、频段或码字等资源；

[0064] 2.对每个cluster内的三个用户，所述基站请求获取每个用户的最大发送功率和传送速率门限的信息，并通过对信道较长时间的检测统计得到每个用户的PL和平均衰落系数；

[0065] 3.所述基站首先根据所述PL和平均衰落系数的乘积为用户分配序号1、2和3，其中序号越大表示这一乘积越小，相应的用户分配到的固定发送功率就越小，这样第m个用户的发送功率就可以表示为Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(3)+ωPLm，其中ω为一给定常数，P和ρ为待定系数，m为1至3中的任意值；

[0066] 4.基站通过预设的公式做出三个用户平的均传输中断概率随SNR和ρ的变化曲线，其中，所述平均中断概率是一种服务质量的评价指标，当信道容量小于给定速率门限时会发生中断，然后结合之前得到的每个用户的最大发送功率，得到最优的P和ρ取值，并广播给用户；

[0067] 5.每个cluster内的用户通过共享资源完成NOMA传输；

[0068] 6.基站要实时测算每个用户的CSI，结合已知的发送功率和PL参数，推断出当前这三个用户接收功率的顺序，将其由大到小设为用户A、B和C；

[0069] 7.基站按动态顺序进行SIC解码，先将其他用户信号作为干扰解码用户A的信息，然后在解码用户B时将已知的用户A的干扰消除，而用户C的信息继续作为干扰项。最后就可以无干扰地解码用户C的信息。这一过程如图3所示。

[0070] 本发明实施例一：

[0071] 本发明实例主要是对最优功率分配策略进行详细阐述。

[0072] 最优功率分配策略主要由以下几个因素决定：首先是优化目标、信道和噪声。优化目标即希望系统达到的服务质量或性能要求，信道和噪声的建模方式决定了优化目标的表达形。为避免用户间公平性不佳等问题，通常使用平均中断概率最小或中断概率最大用户的有效速率最大。在考虑瑞利衰落信道和加性高斯白噪声的场景下，每个用户的中断概率可以写成以下形式。

[0073]

[0074] 其中 表示第m个用户的信道容量小于门限值。

[0075] 表示信道容量，其中pm是发送功率，hm是信道衰落(包括小尺度衰落和PL)，σ表示噪声。当给定每个用户速率门限时，由以上公式，可以做出如图4的平均中断概率随SNR和ρ的关系图，其中每种SNR和ρ的组合代表了一种功率分配策略，图4适用于噪声0dB，速率门限0.75的情况。

[0076] 其次是每个用户发送功率最大值，假定其分别为 和 由于每个用户的最佳分配策略可以表示为Pm＝P-(m-1)ρ+10log10(3)+ωPLm，其中P等于SNR乘以平均噪声。对用户发送最大功率的限制，实际上是在图4中限定了一系列由与Z轴平行平面切割而成的空间，落在这些空间中的点就是满足条件的最优分配策略。实际操作中很容易使用MATLAB等软件求解，进而可以得到Pm的值。

[0077] 本发明实施例二：

[0078] 本实例主要强调采用动态调整解码顺序接收机的意义。

[0079] 虽然采用动态调整解码顺序的SIC接收机会提高设计接收机的复杂度，但是可以很好地提高频谱效率。SIC的基本原理就是逐步减去最大信号功率用户的干扰，SIC检测器在接收信号中对多个用户逐个进行数据判决，判决出一个用户就同时减去该用户信号造成的多址干扰，直至消除所有的多址干扰为止。正是由于每一级SIC接收机要在多个用户的叠加信号中检测某一特定用户的信号，我们才要优先检测最容易捕获即接收功率最大的信号。另外某一用户的信号功率越大，对其他用户的干扰就越严重，因而要优先测出以便将其消去。可以预见使用动态调整的接收机对比固定解码顺序的接收机，有较大的性能增益。

[0080] 图5显示的是对比动态调整解码顺序接收机与固定顺序的平均中断概率。可以看出在任何相同的功率分配策略下，动态调整的总是能获得更好的服务质量。特别的是，固定顺序接收机的性能非常依赖较大的ρ值作为保证。然而这意味着不同用户之间发送功率的差异会很大，将影响用户之间的公平性。

[0081] 综上所述，本发明利用NOMA技术通过功率域实现多址接入，使同一传输资源被更多用户利用，提升了上行场景的频谱效率。同时由于动态调整解码顺序的SIC接收机的使用，获得了相比其他上行NOMA更好的服务质量。而且本发明提出的用户发送功率分配策略，由于充分考虑信道情况和CSI较差用户的服务质量，解决了其他分配策略用户间公平性不佳的问题，获得了更高的传输性能增益。

[0082] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0083] 专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。

[0084] 显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。