基于单源最优路径的NOMA中继选择方法、传输方法和系统与流程

基于单源最优路径的noma中继选择方法、传输方法和系统
1.技术方案
2.本发明属于非正交多址通信技术领域，具体涉及基于单源最优路径的noma中继选择方法、传输方法和系统。


背景技术：

3.随着第五代移动通信(the 5th generation,5g)的商用，无线数据流量呈现指数式增长。手机用户将不再仅仅满足于一些简单的数据传输，如音频聊天和图文信息等，视频和网络直播已经成为移动流量的主要形式，这都依赖于5g技术的大带宽和低时延。但是在用户量太大的情况下，5g系统会出现传输质量较差和传输速率慢的问题。
4.协作多播技术最早是上世纪80年代提出的，一开始被应用于计算机网络中，多播是一点对多点的通信。在通信领域，多播是基站对多个终端用户或者终端用户对多个终端用户的信息传输。这项技术可以降低区域内单基站的压力，将它分担给下行用户，信息传输借由下行链路中的基站或者终端用户来实现。文献[1]介绍了基于解码转发(decoding forward,df)策略的频谱共享型中继通信。文献[2]介绍了map转发型协作通信的中继选择策略。针对节点分配问题，文献[3]基于顺序固定的节点调度算法进行研究，该算法可大大减少计算时间并获得接近最佳的解决方案。
[0005]
区别于第四代移动通信(the 4th generation,4g)使用的正交频分复用技术(orthogonal frequency division multiplexing,ofdm)，5g使用非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,noma)技术，noma可以提高频谱效率和用户接入量。
[0006]
现有noma中继协作传输系统模型图如图1所示，图中bs为基站，小区用户数为n。当bs到部分用户无直达链路时，采用非机会式noma协作传输。假设r
i
(i＝1,2
……
,m)组成中继用户组，r
′
d
(d＝1,2
……
,n-m)组成次级用户组。协作传输分为两个阶段，第一阶段为中继用户之间的协作传输，第二阶段为选定中继用户r
m
到次级用户的传输。中继用户通过串行干扰消除(successive interference cancellation,sic)技术进行协作传输，解码得到自己所需信号后将该信号剔除，将剩余信号传输给下一个中继用户，最后一个中继用户r
m
将次级用户所需信号传给次级用户，次级用户通过sic解码得到所需信号。但是在目前非正交多址中继通信的研究中，中继用户选择是随机的，并没有考虑中继用户之间信道条件的差异，因此中断概率增加，通信网络的传输可靠性有待提高。


技术实现要素：

[0007]
本发明旨在针对目前非正交多址中继通信的中继用户选择是随机的，并没有考虑中继用户之间信道条件的差异的问题，提供基于单源最优路径的noma中继选择方法、传输方法和系统。
[0008]
为实现上述技术目的，本发明采用以下技术方案。
[0009]
基于单源最优路径的noma中继选择方法，包括以下步骤：
[0010]
以基站作为源节点向预先确定的目标用户和预先选定的中继用户广播测试信号；
[0011]
中继用户优先选择信道条件满足设定要求的路径将广播测试信号向目标用户进行转发；
[0012]
测试信号到达目标用户后，目标用户记录信道参数并回传基站，基站根据各目标用户回传的信道参数配置路径参数；
[0013]
若所有路径参数配置完成，基站选择中继用户之间的信道参数最优的路径，确定该路径上的所有中继用户作为最终中继用户。
[0014]
第二方面，本发明提供了基于单源最优路径的noma协作传输方法，包括以下步骤：
[0015]
步骤1：基站为各中继用户和目标用户合成叠加码，并以给定发射功率向中继用户发送叠加码；
[0016]
步骤2：中继用户依次成功接收叠加码后采用sic技术进行协作解码，得到所有子信号，剔除自身所需信号，将剩余的信号再调制成新叠加码，传输通路的下一个中继用户接收新叠加码，重复步骤2，直至到达传输通路的最后一个中继用户，最后一个中继用户将解码出的目标用户所需信号发送给目标用户，
[0017]
步骤3：目标用户采用sic技术对接收到的信号进行解码；
[0018]
其中中继用户采用如以上技术方案提供的所述的基于单源最优路径的noma中继选择方法确定。
[0019]
第三方面，本发明提供了基于单源最优路径的noma协作传输系统，包括基站、中继用户和目标用户，其中：基站，所述基站用于作为源节点向目标用户和所有中继用户广播测试信号，并根据各目标用户回传的中继用户之间的信道参数配置路径参数；若所有路径参数配置完成，基站选择中继用户之间的信道参数最优的路径，确定该路径上的所有中继用户作为最终中继用户。
[0020]
所述基站还用于为中继用户中各被选定的最终中继用户和目标用户合成叠加码，并以给定发射功率向中继用户发送叠加码。
[0021]
所述中继用户用于优先选择信道条件满足设定要求的路径并将接收到的广播测试信号转发目标用户；所述中继用户中的被选定的最终中继用户，用于依次成功接收叠加码后采用sic技术进行协作解码，得到所有子信号，剔除自身所需信号，将剩余的信号再调制成新叠加码，传输通路的下一个中继用户接收新叠加码；直至到达传输通路的最后一个中继用户；最后一个中继用户将解码出的目标用户所需信号发送给目标用户。
[0022]
所述目标用户，用于接收到测试信号后向基站回传信道参数，所述目标用户还用于接收到基站发送的叠加码后采用sic技术对接收到的信号进行解码。
[0023]
有益技术效果：
[0024]
本技术提出一种基于单源最优路径的中继选择方法，将中继用户之间的信道条件作为路径参数，以基站作为源节点，选定目标节点，从源节点开始寻找通路，即能够成功传输的路径，并把路径参数最优的通路上所有节点作为协作传输的中继用户的集合。
[0025]
本技术提出基于单源最优路径的noma协作传输方法和系统，基于单源最优路径的中继选择方法确定中继用户，以用户为节点，以中继用户间信道条件为信道参数，建立非正交多址中继通信网络。在确定目标节点后，寻找一条具有最佳信道参数的通路。该方法从基站广播信号，当信号到达目标节点后，基站从目标节点处收集所有可达通路，通过对比各通路的信道参数，迅速选出最好的传输通路。能够保证中继用户之间不会有较差的信道条件，
从整体上降低了系统的中断概率，因此本技术的中继用户中断概率较小，并且能有效降低系统复杂度。
附图说明
[0026]
图1为现有noma中继协作传输系统模型示意图；
[0027]
图2为本发明具体实施例提供的基于单源最优路径的中继选择方法流程示意图；
[0028]
图3为本发明具体实施例提供的基于单源最优路径的noma协作传输方法流程示意图；
[0029]
图4为本发明具体实施例中继用户性能比较仿真实验结果；
[0030]
图5本发明具体实施例次级用户性能比较仿真实验结果；
[0031]
图6本发明具体实施例系统复杂度比较仿真实验结果。
具体实施方式
[0032]
下面结合说明书附图和具体实施例对本技术进行进一步说明。
[0033]
实施例一、如图1所示，基于单源最优路径的noma中继选择方法包括以下步骤：
[0034]
步骤1：选定一组次级用户r
′
j
作为目标用户；
[0035]
步骤2：判断路径参数是否配置完成？如果配置未完成，进行步骤3；否则转到步骤6；
[0036]
步骤3：基站合成测试信号u
f
(t)，以广播方式向区域内所有用户发送信号，所有用户接收信号，基站将信道条件较好的用户r
i
挑选出来组成中继用户组；
[0037]
步骤4：以基站作为源节点，向选定的目标用户和中继用户进行广播，直至信号到达目标用户，中继用户优先选择信道条件较好的路径，放弃信道条件较差的路径并认定其为无用路径；
[0038]
步骤5：目标用户记录信道参数并回传给基站，信道参数包括可选通路、跳数s、均值e和方差λ2，基站通过排序得出各用户与基站信道条件的好坏程度，配置路径参数，回到步骤2；
[0039]
步骤6：中继用户r
i
会组成若干条通路，去除无用路径；
[0040]
步骤7：基站比较各条通路的信道参数，选取一条e较大、λ2较小且传输跳数较少的通路，通路上所有中继用户进行协作传输。
[0041]
在保证所有用户都能成功接收所需信号的前提下，本技术所提算法先挑选部分用户建立中继用户组，再从中找出多个中继用户进行协作通信。
[0042]
可选地，中继用户利用蚁群算法优先选择信道条件较好的路径，放弃无用路径。
[0043]
本技术实施例为由蚁群算法改进的单源最优路径算法。将中继用户之间的信道条件作为路径参数，以基站作为源节点，选定目标节点(即目标用户)，从源节点开始寻找通路，即能够成功传输的路径，并把路径参数最优的通路上所有节点作为协作传输的中继用户的集合。
[0044]
不同于传统的协作传输方式，本技术所提算法可以消除无用路径的影响。无用路径是无法到达目标节点的路径，低质量可用通路数量会随无用路径数量的减少而减少。最终目标节点会从中继用户处接收有用信号。
[0045]
在此过程中，用信号传输跳数、信号条件均值和方差来衡量可达路径的好坏程度。假设有一条从基站到选定目标用户的通路，经过s个中继用户，过程中有s 1传输跳数，每一跳传输的中继用户之间的信道条件为l
ij
，中继用户之间的信道条件均值e和中继用户之间的信道条件方差λ2如下：
[0046][0047][0048]
根据式(1)和式(2)，按顺序依次选择信道条件均值较大、信道条件方差较小和跳数较少的通路。
[0049]
均值较大，表明这条通路的整体信道条件较好；
[0050]
方差较小，表明各段信道条件好坏差距不大，避免出现极端情况，即整体信道条件较好但某一条路径的信道条件特别差甚至会出现中断；
[0051]
跳数越少，经过的中继用户越少，可以降低系统开销和传输时间。
[0052]
具体实施例中按顺序依次选择均值较大、方差较小和跳数较少的通路的方法可以为：在所有路径中选择均值大于均值阈值的路径形成第一备选路径集，在第一备选路径集中选择方差小于方差阈值的路径形成第二备选路径集；在第二备选路径集中选择跳数最少的路径作为最优路径。
[0053]
具体实施例中按顺序依次选择均值较大、方差较小和跳数较少的通路的方法也可以为：在所有路径中对各路径的信道条件均值排序，选择均值较大的特定数量的路径形成第一备选路径集；在第一备选路径中将路径的信道条件均值进行排序，选择信道条件方差较小的特定数量的路径形成第二备选路径集，在第二备选路径集中选择跳数最少的路径作为最优路径。
[0054]
实施例二、基于单源最优路径的noma协作传输方法，包括以下步骤：
[0055]
步骤1：基站为各中继用户和目标用户合成叠加码，并以给定发射功率向中继用户发送叠加码；
[0056]
步骤2：中继用户依次成功接收叠加码后采用sic技术进行协作解码，得到所有子信号，剔除自身所需信号，将剩余的信号再调制成新叠加码，传输通路的下一个中继用户接收新叠加码，重复步骤2，直至到达传输通路的最后一个中继用户，最后一个中继用户将解码出的目标用户所需信号发送给目标用户；
[0057]
步骤3：目标用户采用sic技术对接收到的信号进行解码；
[0058]
其中中继用户r
i
采用以上实施例提供的所述的基于单源最优路径的noma中继选择方法确定。
[0059]
本实施例中，具体地基于单源最优路径的noma协作传输方法包括：
[0060]
步骤1：基站以广播的形式发送测试信号，采用基于单源最优路径算法的中继选择方法寻找由中继用户组成的传输通路；
[0061]
步骤2：基站为每一个中继用户r
i
调制所需信号u
i
(t)，所有次级用户信号合成为u0(t)，再与中继用户信号合成为叠加码u
b
(t)，以给定发射功率发送，传输通路的下一个中继用户接收叠加码；
[0062]
步骤3：中继用户r
i
成功接收叠加码u
b
(t)，采用sic技术进行协作解码，得到所有子信号，剔除该中继用户所需信号u
i
(t)，将剩余的信号再调制成新叠加码，传输通路的下一个中继用户接收新叠加码，重复步骤3，直至到达传输通路的最后一个中继用户；
[0063]
步骤4：最后一个中继用户解码出自己所需信号和次级用户所需信号u0(t)，将u0(t)发送给被选定为目标用户的次级用户，次级用户采用sic技术对u0(t)进行解码。
[0064]
本实施例提供的基于单源最优路径的noma协作传输方法流程示意图如图3所示。
[0065]
noma特有的功率复用技术和串行干扰消除技术与协作通信具有极高的容错能力，因此本实施例将noma与协作通信结合。noma在功率域上可以自行决定给每个用户信号的功率分配因子数值，并将用户信号调制成叠加码。由于不同的参数分配可以应对不同的信道情况，所以noma协作通信网络具有自适应性。串行干扰消除的关键在于叠加码在解码前要进行功率判决，按照用户信号分配功率由大到小的顺序进行解码。
[0066]
以下对基于本实施例提供的基于单源最优路径的noma协作传输方法的系统模型进行分析。
[0067]
假设中继用户r1需要接收的有用信号为u
m
(t)，将n-m个次级用户信号进行编码并合并为一个信号编码u0(t)。采用noma传输方式，对发送信号进行功率分配，信道条件越好，所得到的发射功率越小，即用较大的发射功率弥补较差的信道条件。假设传输信道的噪声是均值为0、方差为σ2的高斯白噪声，表示为n(t0)。整个传输过程有m 1个时隙，设t
q
为第q个时隙。在时隙t0处基站构造叠加码u
b
(t0)如下：
[0068][0069]
其中，p
b
为u
b
(t0)的发射功率，a
i
(t0)为时隙t0处的功率分配系数，按照由大到小的顺序进行分配，且
[0070]
第一阶段为中继用户协作传输和解码的过程，总共有m个时隙。在时隙t0处，中继用户r1通过sic解调叠加码u
b
(t0)，得到自己需要的信号u
m
(t0)，然后剔除该信号。根据香农定理，得出r1解码u
i
(t0)的信噪比为：
[0071][0072]
其中，g
b,i
为协作传输过程中基站到中继用户r
i
的信道条件。在时隙t
q-1
处，r
q
通过sic解调叠加码u
b
(t
q-1
)，得到自己需要的信号u
m-q 1
(t
q-1
)并剔除该信号，将剩余信号构造叠加码u
b
(t
q
)转发给r
q 1
，u
b
(t
q
)表示如下：
[0073][0074]
其中，p
q
为u
b
(t
q
)的发射功率，a
i
(t
q
)为时隙t
q
处的功率分配系数，按照由大到小的顺序进行分配，且
[0075]
在时隙t
q
处，中继用户r
q 1
通过sic解码u
b
(t
q
)得到u
m-q
(t
q
)，此信号即是用户需要的有用信号。根据香农定理，得出r
q 1
解码信号u
i
(t
q
)的信噪比为：
[0076][0077]
其中，l
i,j
为中继用户r
i
和r
j
之间的信道条件。
[0078]
r
q 1
解码信号u
b
(t
q
)的总信噪比为：
[0079][0080]
其中，g[x1,x2…
,x
m
]表示最大合并比的信号合成方式：
[0081][0082]
第二阶段为选定中继用户r
m
到次级用户传输和解码的过程，r
m
将u0(t
m
)发送给次级用户，设s
j
(t
m
)为次级用户r
′
j
所需信号，u0(t
m
)表示如下：
[0083][0084]
其中，p
m
为u0(t
m
)的发射功率，a
j
(t
m
)为时隙t
m
处的功率分配系数，按照由大到小的顺序进行分配，且
[0085]
次级用户r
′
j
在传输时隙t
m
处解码s
j
(t
m
)的信噪比为：
[0086][0087]
其中，s
m,j
为中继用户r
m
到次级用户r
′
j
的信道条件，h
b,j
为bs到次级用户r
′
j
的信道条件。
[0088]
次级用户r
′
j
在传输时隙t
m
处解码u0(t
m
)的总信噪比为：
[0089][0090]
(1)中继用户的可靠性分析
[0091]
设中继用户r
i
解码信号的信噪比为接收信号的信噪比阈值为τ
i
，中继用户的中断概率表示如下：
[0092][0093]
由式(12)可以推出：
[0094][0095]
采用图2所示的中继选择策略，当系统发生中断时，可以认为只有最后一个成功接收信号的用户发生中断(因为后面的用户已经对这个系统不产生影响)。由式(13)可以推导出：
[0096][0097]
由式(14)可知，中继用户的中断概率存在上界。
[0098]
当信道发生中断，信道增益起负作用。假设bs与中继用户信道的信道增益阈值为ε
i
，中继用户之间信道的信道增益阈值为δ
ij
，ω
f
和ω
ij
分别为g
b,i
和l
i,j
的均值。根据排序和概率统计理论，可得式(13)各部分因子的上界：
[0099][0100][0101]
由式(14)、式(15)和式(16)可以推导出：
[0102][0103]
由式(17)可得，中继用户的分集增益为n。
[0104]
(2)次级用户的可靠性分析
[0105]
设次级用户r
′
d
解码信号的信噪比为接收信号的信噪比阈值为τ
d
，次级用户的中断概率表示如下：
[0106][0107]
在中继用户向次级用户发送信号后，noma协作传输系统内只有基站和中继用户对其产生影响。假设bs与次级用户的信道增益阈值为ψ
d
，中继用户与次级用户之间的信道增益阈值为ψ
r
，ω
r
和ω
h
分别为s
b,r
和h
b,d
的均值。次级用户r
′
d
的中断概率为：
[0108][0109]
由式(19)可以推导出
[0110][0111]
由式(20)可得，次级用户的分集增益为m。
[0112]
目前中继选择方式为随机中继选择，而本技术采用基于单源最优路径的noma中继选择策略寻找一条信道参数较好的通路，各用户通过sic解码得到所需信号，实现noma协作通信的可靠传输。本技术所提策略的系统复杂度分析如下：
[0113]
(1)通信开销
[0114]
基站发送测试信号1次，各中继用户广播信号共n次，中继用户接收其他中继信号处理n次。协作传输第二阶段有并行传输和串行传输两种预选方案。若采用并行传输，次级用户接收选定中继用户信号为n-m次；若采用串行传输，选定中继用户和次级用户发射信号为n-m次，次级用户接收信号为n-m次。
[0115]
并行传输优于串行传输，所以本技术采用并行传输，系统通信开销为3n-m 1。
[0116]
(2)计算开销
[0117]
各中继用户设置协作网络信道质量参数的开销为n，基站通过预设参数寻找最优通路的开销为n，次级用户没有计算开销，因此系统计算开销为2n。
[0118]
(3)信号处理开销
[0119]
选定最优通路后，第一个中继用户利用sic解码n次，其中n＝m，即解码信号数量和中继数量保持一致，之后的每个中继用户依次减少一个，因此中继用户总信号处理开销为n(n 1)/2；在协作传输第二阶段，为了降低通信系统复杂度未使用协作传输，第一个次级用户解码得到所需信号利用sic解码n-n次，之后的次级用户依次减少1次，因此次级用户总信号处理开销为(n-n)(n-n 1)/2，其中n-n<n/2。
[0120]
由以上分析可知，单源最优路径算法的系统复杂度为：
[0121][0122]
对本技术进行仿真分析。仿真采用的信道模型为频率选择瑞利衰落信道，按照固定功率分配，功率分配系数分别为0.8和0.2，基站和用户间的信道条件按照降序随机生成，用户均匀分布于一个封闭区域，损耗系数大小与距离相关，载波条件均相同。仿真参数如表1所示。
[0123]
表1系统仿真参数
[0124][0125]
图4为noma中继协作方法(即基于本技术所提供的基于单源最优路径的noma中继选择方法的noma协作传输方法)中继用户中断概率与总信噪比的关系。由图4可知，在同等n和m的情况下，随着信噪比的增大，本技术所提算法的中断概率曲线下降趋势较快。与基于af的noma中继传输相比，本技术所提算法的中继用户中断概率较小。这是因为本技术所提算法能够保证中继用户之间不会有较差的信道条件，从整体上降低了系统的中断概率。由图4可见，4用户3中继的曲线比4用户2中继的曲线下降趋势更快。在总用户数量相同的情况下，随着中继数量的增多，noma中继协作方法的系统性能更好，中继用户中断概率大大降低。
[0126]
图5为noma中继协作方法中次级用户中断概率与总信噪比的关系。由图5可知，在同等n和m的情况下，随着信噪比的增大，本技术所提算法的中断概率曲线下降趋势更快。与基于af的noma中继传输相比，本技术所提算法的次级用户中断概率更小。这是因为次级用户不能成功接收基站发送的信号，所以通过中继用户实现传输，在保证中继用户中断概率降低的情况下，次级用户的中断概率也会下降。由图5可见，4用户3中继曲线比4用户2中继曲线的下降趋势更快。在总用户数量相同的情况下，随着中继数量的增多，noma中继协作方法的系统性能更好，次级用户的中断概率显著降低。
[0127]
图6为基于noma中继协作方法的系统复杂度与中继用户数量的关系。由图6可知，随着中继用户数量增加，本技术所提算法的算法复杂度与基于af的noma中继传输相比更具有优势。当中继数量达到80时，本技术所提算法的算法复杂度比基于af的noma中继传输降低了47.2％。可见，在用户数量较多的情况下，本技术所提算法能有效降低系统复杂度。
[0128]
本技术基于noma中继协作方法的系统模型，研究了中继用户路径选择优化问题。提出一种基于单源最优路径的noma中继选择策略，该策略提高了路径选择效率，降低了系统复杂度。该策略将信道条件作为信道参数，基于信道参数寻找最优路径。路径选择过程中消除无用路径，以此减少低质量可用通路数量，从而提高了路径选择的效率。被挑选路径上所有用户之间的信道条件较好，提高了noma中继协作方法的可靠性。仿真结果表明，所提方案在满足最大分集增益的前提下，中继用户和次级用户的中断概率下降，系统复杂度降低，随着中继用户数量增加，系统整体性能会进一步提高。
[0129]
本领域内的技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序
产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0130]
本技术是参照根据本技术实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
[0131]
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
[0132]
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
[0133]
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。