非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法
阅读说明：本技术 非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法 (User peer-to-peer cooperation method based on power division under non-orthogonal multiple access ) 是由 丁海洋 陈炜宇 李卫 王世练 陈华梁 荆锋 刘锐鹏 刘中伟 贺翥祯 于 2020-03-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法,该方法中,近基站用户和远基站用户在信息传输阶段均基于连续干扰消除技术从各自接收信号中获取双方所需信息,并以成功获取双方信息为前提将冗余的接收信号功率全部用于能量收集；若近基站用户和远基站用户中一方在信息传输阶段无法获取其所需信息且另一方在信息传输阶段能够获取双方信息则进入信息转发阶段,否则开始新一轮信息传输；协助者将其收集到的全部能量用于转发被协助用户所需信息,被协助用户重新尝试获取其所需信息,下一时间块开始新一轮信息传输。本发明能有效提高能量利用率,降低系统中断率,提高功率域非正交多址接入下行蜂窝网通信系统的频谱效率和能量效率。(The invention discloses a user peer-to-peer cooperation method based on power division under non-orthogonal multiple access, wherein, a near base station user and a far base station user both obtain information required by both sides from respective received signals based on a continuous interference elimination technology in an information transmission stage, and all redundant received signal power is used for energy collection on the premise of successfully obtaining the information of both sides; if one of the near base station user and the far base station user can not obtain the required information in the information transmission stage and the other can obtain the information of the two parties in the information transmission stage, entering an information forwarding stage, otherwise, starting a new round of information transmission; the assistor uses all the collected energy to forward the information needed by the assisted user, the assisted user retries to acquire the needed information, and a new information transmission round is started at the next time block. The invention can effectively improve the energy utilization rate, reduce the system interruption rate and improve the frequency spectrum efficiency and the energy efficiency of the power domain non-orthogonal multiple access downlink cellular network communication system.)
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于无线携能技术的用户协作机制，和一种功率分割系数确定方法，适用于基于非正交多址接入的蜂窝网下行通信系统。
背景技术
2008年L.R.Varshney发表的论文“Transporting information and energysimultaneously”掀起了人们对无线携能通信技术的研究热潮，该技术利用交流-直流转化电路从携带信息的无线电波中获取能量，达到同时满足通信需求和能量需求的目的，具有良好的应用前景。2013年X.Zhou等人发表的论文“Wireless information and powertransfer:Architecture design and rate-energy tradeoff”提出了实现无线携能通信的两种实际架构，一种是时间切换，即在某些时间段将工作模式切换为信息传输，在其他时间段将工作模式切换为能量收集；另一种是功率分割，即将接收信号的一部分功率用于信息传输，另一部分功率用于能量收集。
另一方面，文献“Concept and practical considerations of non-orthogonalmultiple access(NOMA)for future radio access”指出，非正交多址接入技术相对于正交多址接入技术能够实现30％的系统级性能增益。该技术通过在相同的频率时间资源上承载不同用户的信息实现高频谱效率传输，被认为是5G和后5G时代十分具有应用前景的多址接入方式。其中，功率域的非正交多址接入技术在发射端基于叠加编码给不同用户分配不同大小的能量，并在接收端采用连续干扰消除技术实现干扰消除和信息恢复，相较于其他非正交多址接入技术具有低复杂度和高兼容性的特点，受到了广泛的关注。
结合无线携能通信技术和功率域非正交多址接入技术，文献“Cooperative non-orthogonal multiple access with simultaneous wireless information and powertransfer”提出在基站与近基站用户间利用无线携能通信技术中的功率分割架构同时实现信息传输和能量传输，近基站用户借由收集到的能量将远基站用户所需信息转发给远基站用户，从而提升整个系统在远基站用户处的服务质量。文献“Power splitting protocoldesign for the cooperative NOMA with SWIPT”进一步改善了上述传输方案中近基站用户处的功率分割系数，使得近基站用户在能够获取自身所需信息的前提下，将冗余的接收信号功率全部用于能量收集及后续的信息转发，从而进一步改善了系统在近基站用户处的服务质量，并提高了传输方案的公平性。然而，上述两种传输方案都仅允许近基站用户协助远基站用户，是一种非对等的协作机制。事实上，由于信道的动态衰落特性，基站到远基站用户信道的信道条件在一段时间内可能优于基站到近基站用户信道的信道条件。因此，远基站用户处冗余的接收信号功率在上述文献所提出的传输方案中未得到充分利用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷和不足，为基于功率域非正交多址接入的蜂窝网下行通信系统提出一种对等的用户协作机制和自适应的功率分割系数，以期能够同时充分利用近基站用户和远基站用户的冗余接收信号功率，从而提高系统服务质量、频谱效率和能量效率。
为达到上述目的，本发明采取如下的技术方案：
一种非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，以固定时长T将基站、近基站用户和远基站用户三者的通信过程在时间上等长分割为连续的时间块；每个时间块内执行的传输过程包括信息传输和信息转发；
所述信息传输为基站基于功率域非正交多址接入技术，为远基站用户分配更大的功率，将近基站用户和远基站用户的信息通过叠加编码进行广播；所述信息转发为基站保持静默，近基站用户将远基站用户所需信息转发给远基站用户，或远基站用户将近基站用户所需信息转发给近基站用户；
步骤2，初始时间块执行信息传输，近基站用户和远基站用户均采用连续干扰消除技术，首先从各自的接收信号中获取远基站用户的信息，再获取近基站用户的信息；同时，近基站用户和远基站用户均采用功率分割架构，在能够正确获取自身和对方信息的前提下，将冗余的接收信号功率用于能量收集；
基于上述原则，近基站用户的自适应功率分割系数(用于能量收集的接收信号功率占总接收信号功率的比例)表示为：
远基站用户的自适应功率分割系数(用于能量收集的接收信号功率占总接收信号功率的比例)表示为：
其中，
式中，hBN为基站到近基站用户的信道系数；
hBF为基站到远基站用户的信道系数；
dBN为基站到近基站用户的距离；
dBF为基站到远基站用户的距离；
α为路径损耗指数；
为近基站用户处加性高斯白噪声的功率；
为远基站用户处加性高斯白噪声的功率；
R为两个用户的目标速率；
PN为基站分配给近基站用户的功率；
PF为基站分配给远基站用户的功率；
k为功率分配比例；
步骤3，若在上述信息传输时间块中，近基站用户无法从其接收信号中获取自身所需信息，且远基站用户能够同时获取其自身所需信息以及近基站用户信息(等价于βF>0)；或远基站用户无法从其接收信号中获取自身所需信息，且近基站用户能够同时获取其自身所需信息以及远基站用户信息(等价于βN>0)，则下一时间块为信息转发时间块，进入步骤4；否则，下一时间块开始新一轮信息传输，回到步骤2；
步骤4，在信息转发时间块中，协助者(即功率分割系数大于零的用户)将其在信息传输时间块内收集到的全部能量用于转发被协助的用户(即在信息传输时间块内无法从其接收信号中获取自身所需信息的用户)所需的信息，被协助用户基于最大比合并技术重新尝试获取其所需信息；无论成功与否，下一时间块开始新一轮信息传输，回到第步骤2。
本发明与现有技术相比，有益的技术效果是：
(1)充分利用了在远基站用户处冗余的接收信号功率：在保证远基站用户能够成功获取其所需信息及近基站用户信息的前提下，本发明充分利用了远基站用户处冗余的接收信号功率，并将其进一步用于协助近基站用户，提高了能量利用效率。
(2)提升了下行传输的可靠性：通过构建由远基站用户到近基站用户的协作机制，本发明能够有效降低近基站用户处的中断概率。进一步的理论分析表明，本发明能够将近基站用户处的分集增益由1阶提升至2阶，从而将整个传输系统的分集增益从1阶提升至2阶，大大提高了传输可靠性。
(3)本发明实施例中的仿真结果表明，在不额外消耗能量的情况下，能够有效降低系统的中断率(系统中断定义为近基站用户或远基站用户中的任意一个发生信息中断，或两个用户均发生信息中断)，满足非正交多址接入蜂窝网下行通信系统的需求。
附图说明
图1是现有的非正交多址接入蜂窝网下行通信系统中的基于功率分割的非对等用户协作方法流程图；
图2是本发明所提出的非正交多址接入蜂窝网下行通信系统中的基于功率分割的对等用户协作方法流程图；
图3是在瑞利信道条件下，对于非正交多址接入蜂窝网下行通信系统，用现有的非对等用户协作方法和用本发明所提出的对等用户协作方法分别得到的最佳功率分配下的最佳系统中断率随基站发射信号总功率的变化情况的比较图。
具体实施方式
以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
参照图1，现有的基于功率分割的非对等用户协作方法中，近基站用户和远基站用户的行为是不同的。具体而言，在信息传输阶段，远基站用户仅判断其能否从基站发来的信号中获取其自身所需信息，而近基站用户要判断其能否从基站发来的信号中获取近基站用户信息和远基站用户信息。若二者均能被近基站用户获得，且远基站用户无法从基站发来的信号中获取其自身所需信息，则下一时间块为信息转发阶段，近基站用户协助远基站用户。其他情况下，下一时间块开始新一轮信息传输。
本实施方式给出一种非正交多址下基于功率分割的用户对等协作方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，基站基于功率域非正交多址接入技术向用户广播信号，以固定时长T将基站、近基站用户和远基站用户三者的通信过程在时间上等长分割为连续的时间块；每个时间块内执行的传输过程包括信息传输和信息转发；
所述信息传输为基站基于功率域非正交多址接入技术，为远基站用户分配更大的功率，将近基站用户和远基站用户的信息通过叠加编码进行广播；所述信息转发为基站保持静默，近基站用户将远基站用户所需信息转发给远基站用户，或远基站用户将近基站用户所需信息转发给近基站用户；
步骤2，初始时间块执行信息传输，近基站用户和远基站用户均采用连续干扰消除技术，首先从各自的接收信号中获取远基站用户的信息，再获取近基站用户的信息；同时，近基站用户和远基站用户均采用功率分割架构，在能够正确获取自身和对方信息的前提下，将冗余的接收信号功率用于能量收集；
基于上述原则，近基站用户的自适应功率分割系数(用于能量收集的接收信号功率占总接收信号功率的比例)表示为：
远基站用户的自适应功率分割系数(用于能量收集的接收信号功率占总接收信号功率的比例)表示为：
其中，
式中，hBN为基站到近基站用户的信道系数；
hBF为基站到远基站用户的信道系数；
dBN为基站到近基站用户的距离；
dBF为基站到远基站用户的距离；
α为路径损耗指数；
为近基站用户处加性高斯白噪声的功率；
为远基站用户处加性高斯白噪声的功率；
R为两个用户的目标速率；
PN为基站分配给近基站用户的功率；
PF为基站分配给远基站用户的功率；
k为功率分配比例；
步骤3，若在上述信息传输时间块中，近基站用户无法从其接收信号中获取自身所需信息，且远基站用户能够同时获取其自身所需信息以及近基站用户信息(等价于βF>0)；或远基站用户无法从其接收信号中获取自身所需信息，且近基站用户能够同时获取其自身所需信息以及远基站用户信息(等价于βN>0)，则下一时间块为信息转发时间块，进入步骤4；否则，下一时间块开始新一轮信息传输，回到步骤2；
步骤4，在信息转发时间块中，协助者(即功率分割系数大于零的用户)将其在信息传输时间块内收集到的全部能量用于转发被协助的用户(即在信息传输时间块内无法从其接收信号中获取自身所需信息的用户)所需的信息，被协助用户基于最大比合并技术重新尝试获取其所需信息；无论成功与否，下一时间块开始新一轮信息传输，回到第步骤2。
更具体的，参照图2，在本发明提出的基于功率分割的对等用户协作方法中，近基站用户和远基站用户的行为是相似的。具体而言，在信息传输阶段，他们都会判断能否同时获得基站所广播的近基站用户信息和远基站用户信息。当在信息传输阶段远基站用户无法获得其所需信息且近基站用户能够获得双方信息时，下一时间块为信息转发阶段，近基站用户协助远基站用户；当在信息传输阶段近基站用户无法获得其所需信息且远基站用户能够获得双方信息时，下一时间块也会是信息转发阶段，此时远基站用户协助近基站用户。其他情况下，下一时间块开始新一轮信息传输。
实施例1：
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：仿真时间块数设为107个，基站到近基站用户的距离dBN设置为25m，基站到远基站用户的距离dBF设置为35m，近基站用户到远基站用户的距离dNF设置为10m，各信道的信道衰落系数的均值均设为1，近基站用户和远基站用户处加性高斯白噪声的功率设置为能量转换效率设为0.5，目标速率R设置为1bit/s/Hz,路径损耗指数设为2。为了公平比较，在不同的基站发射总功率下，对于现有的非对等协作方法和本发明提出的对等协作方法，在仿真中分别将其功率分配比例设定为使得系统中断率最小的值。仿真得到了非正交多址接入蜂窝网下行通信系统在瑞利信道条件下，使用现有的非对等协作方法和使用本发明所提出的对等协作方法的系统中断率随基站发射总功率的变化曲线，如图3所示。
从图3可以看出，本发明所提出的基于功率分割的对等协作方法能够有效降低系统的中断率，提高系统可靠性。