一种波束空间NOMA传输系统的用户分组方法及系统

一种波束空间noma传输系统的用户分组方法及系统
技术领域
1.本发明涉及移动通信技术领域，特别是涉及一种波束空间noma传输系统的用户分组方法及系统。


背景技术：

2.目前，移动通信系统已经开始使用毫米波段，但是无线电磁波在毫米波段的传输损耗很大，需要使用大规模天线阵列通过波束形成技术进行补偿。凸镜天线阵列集成度高，使用灵活方便，是实现大规模天线阵列的常见方式。非正交多址接入技术(non-orthogonal multipleaccess，noma)能够在同样的硬件条件下接入更多用户，其和凸镜天线阵列结合，在毫米波段通信中具有广泛应用前景。
3.在移动通信系统中，基站配置安装固定数量的rf链路，rf链路的数量一般显著少于接入的用户数量。在和noma技术整合使用时，可以增加同时服务的用户数量，但需要将用户适当的分成多个noma组，每个用户组由一个rf链路支持，以减少用户组之间的相互干扰，提高所有用户的速率之和。
4.目前的用户分组方法是将同一波束覆盖的用户构成一个noma组，导致用户组的数量远多于rf链路数量，因此不能同时支持系统中的用户。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种波束空间noma传输系统的用户分组方法及系统，能够同时支持系统中的用户，并使接入用户的速率之和最大化。
6.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
7.一种波束空间noma传输系统的用户分组方法，所述用户分组方法包括：
8.对于接入波束空间noma传输系统的每一用户，获取用户天线与凸镜天线阵列之间的信道，并根据所述信道确定所述用户的波束空间信道；所述波束空间信道包括所述用户在波束选择网络的所有波束上的信道增益；
9.将所有所述用户组成第一用户组，得到第一用户分组方案，并根据所有所述用户的波束空间信道计算所述第一用户分组方案的第一速率和；
10.以速率和最大为目标，对所述第一用户分组方案进行调整，得到调整后用户分组方案。
11.一种波束空间noma传输系统的用户分组系统，所述用户分组系统包括：
12.波束空间信道计算模块，用于对于接入波束空间noma传输系统的每一用户，获取用户天线与凸镜天线阵列之间的信道，并根据所述信道确定所述用户的波束空间信道；所述波束空间信道包括所述用户在波束选择网络的所有波束上的信道增益；
13.初始分组模块，用于将所有所述用户组成第一用户组，得到第一用户分组方案，并根据所有所述用户的波束空间信道计算所述第一用户分组方案的第一速率和；
14.调整模块，用于以速率和最大为目标，对所述第一用户分组方案进行调整，得到调
整后用户分组方案。
15.根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
16.本发明用于提供一种波束空间noma传输系统的用户分组方法及系统，对于接入波束空间noma传输系统的每一用户，获取用户天线与凸镜天线阵列之间的信道，并根据信道确定用户的波束空间信道。将所有用户组成第一用户组，得到第一用户分组方案，并根据所有用户的波束空间信道计算第一用户分组方案的第一速率和，以速率和最大为目标，对第一用户分组方案进行调整，得到调整后用户分组方案，从而能够同时支持系统中的用户，并使接入用户的速率之和最大化。
附图说明
17.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
18.图1为本发明实施例1所提供的波束空间noma传输系统的结构示意图；
19.图2为本发明实施例1所提供的用户分组方法的方法流程图；
20.图3为本发明实施例1所提供的分组调整过程的流程示意图；
21.图4为本发明实施例2所提供的用户分组系统的系统框图。
具体实施方式
22.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
23.本发明的目的是提供一种波束空间noma传输系统的用户分组方法及系统，能够根据rf链路数量将接入用户划分成最佳数量的noma组，能够同时支持所有接入用户，同时在给定的基站总发射功率下能使接入用户的速率之和最大化。
24.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。
25.实施例1：
26.本实施例所提供的用户分组方法适用于波束空间noma数据传输系统，如图1所示，波束空间noma数据传输系统包括：信道估计模块、波束选择网络、noma叠加编码模块、数模转换模块、rf链路、凸镜天线阵列和用户接收模块。
27.信道估计模块用于估计用户的波束空间信道；
28.波束选择网络与信道估计模块连接，波束选择网络用于根据用户的波束空间信道进行波束选取和功率分配操作，得到选取的波束和用户分配功率；
29.noma叠加编码模块与波束选择网络连接，noma叠加编码模块用于根据用户分配功率进行叠加编码操作，得到数字基带信号；
30.数模转换模块与noma叠加编码模块连接，数模转换模块用于将数字基带信号转换
为模拟基带信号；
31.rf链路与数模转换模块连接，rf链路用于将模拟基带信号转换为射频信号；
32.波束选择网络还与rf链路连接，波束选择网络用于将射频信号馈送至选取的波束上；凸镜天线阵列与波束选择网络连接，凸镜天线阵列用于发射波束选择网络馈送的射频信号；
33.用户接收模块与凸镜天线阵列无线连接，用户接收模块用于接收凸镜天线阵列发射的射频信号，对接收到的信号进行处理后输出用户的数据信息。
34.具体的，波束选择网络包括：
35.n
rf
组1-bit移相器，每组包含n
t
个移相器；每个rf链路与一组移相器连接；每组移相器的1-bit移相器与凸镜天线阵列的天线一一对应连接；移相器的状态为0或1；移相器的状态为0时，表示与移相器连接的天线未被选中；移相器的状态为1时，表示与移相器连接的天线被选中。
36.本实施例用于提供一种波束空间noma传输系统的用户分组方法，该用户分组方法即为上述传输系统中第一组到第g组的用户的组合与分配过程，在分配好用户后，即可利用上述传输系统进行数据传输。如图2所示，该用户分组方法包括：
37.s1：对于接入波束空间noma传输系统的每一用户，获取用户天线与凸镜天线阵列之间的信道，并根据所述信道确定所述用户的波束空间信道；所述波束空间信道包括所述用户在波束选择网络的所有波束上的信道增益；
38.具体的，根据用户天线与基站凸镜天线阵列之间的信道，采用如下公式确定用户的波束空间信道：
[0039][0040]
式(1)中，为用户的波束空间信道；u为波束空间变换矩阵；hk为用户天线与凸镜天线阵列之间的信道。
[0041]
其中，u＝[a(θ1),a(θ2),
…
,a(θn)]h；
[0042][0043]
j(n)＝{i-(n-1)/2,i＝0,1,
…
,n-1}；
ꢀꢀ
(2)
[0044]
式(2)中，a(θ)为空间方向角θ的阵列相应矢量；θ＝θ1，θ2，...θn；θn为凸镜天线阵列中第n个天线的空间方向角；n为凸镜天线阵列中天线的个数；m为偏移的天线序号；j(n)为天线序号集合；m依次取j(n)中的元素，将会产生n个值，构成向量a(θ)。
[0045]
用户的波束空间信道是一个向量，由用户在每个波束上的信道增益(标量)构成。本实施例具体根据用户的波束空间信道对用户进行分组操作，将k个用户分成g组。
[0046]
s2：将所有所述用户组成第一用户组，得到第一用户分组方案，并根据所有所述用户的波束空间信道计算所述第一用户分组方案的第一速率和；
[0047]
s3：以速率和最大为目标，对所述第一用户分组方案进行调整，得到调整后用户分组方案。
[0048]
s3可以包括：
[0049]
(1)将第一用户组中的用户按照波束空间信道进行升序排列，选取第一用户组中的第一个用户作为第一用户；
[0050]
(2)令第一用户构成新用户组，得到第二用户分组方案，并根据所有用户的波束空间信道计算第二用户分组方案的第二速率和；
[0051]
(3)判断第二速率和是否小于或等于第一速率和，得到第一判断结果；
[0052]
(4)若第一判断结果为是，则第一用户返回第一用户组，并选取第一用户组中的当前第一用户之后的下一个用户作为第一用户，返回“令第一用户构成新用户组”的步骤；
[0053]
若第一用户组中的所有用户均无法成立新用户组，则结束分组过程，以第一用户分组方案作为调整后用户分组方案。
[0054]
(5)若第一判断结果为否，则保留新用户组，并随机选取一个除新用户组内的第一用户以外的第二用户；
[0055]
(6)令第二用户加入新用户组，得到第三用户分组方案，并根据所有用户的波束空间信道计算第三用户分组方案的第三速率和；
[0056]
(7)判断第三速率和是否小于或等于第二速率和；若是，则第二用户返回其原属用户组；若否，则第二用户加入新用户组，并以第三速率和作为下一循环的第二速率和；
[0057]
(8)判断除新用户组内的第一用户以外的第二用户是否均已被选取，得到第二判断结果；
[0058]
(9)若第二判断结果为否，则随机选取一个除新用户组内的第一用户以外的且未被选取的第二用户，返回“令第二用户加入新用户组”的步骤；
[0059]
(10)若第二判断结果为是，则判断第三用户分组方案所包括的用户组数与1的和是否小于rf链路数量；若是，则选取第一用户组中的当前第一用户之后的下一个用户作为第一用户，并以第三速率和作为下一循环的第一速率和，返回“令第一用户构成新用户组”的步骤；若否，则以第三用户分组方案作为调整后用户分组方案。
[0060]
更为具体的，如图3所示，用户分组更新过程包括：
[0061]
(1)初始分组时，将所有接入用户构成一个noma组，使用noma接入方式，此时用户组数量g＝1，并计算得到用户组的速率之和r
sum
。将所有用户按照波束空间信道排序如下：
[0062]
(2)用户k从所属组独立出来，成立一个新用户组，g＝g 1，并计算各用户组的速率之和
[0063]
(3)若则用户k不能成立一个新用户组，令用户k返回原来所属用户组，g＝g-1；若连续k个用户都无法成立新用户组，转到步骤(6)；否则k＝k 1，返回步骤(2)；若则保留用户k成立的新用户组，执行步骤(4)；
[0064]
(4)用户k成立的新用户组保留，除用户k之外的其他用户构成一个集合u，u＝{1,2,...,k}\k。
[0065]
用户j离开当前所属组，j为集合u中的元素，加入新用户组，并计算各用户组的速率之和若则用户j返回原来所属用户组；若则用户j正式加入新用户组，若用户j不是最后一个用户，则j＝j 1，返回步骤(4)；否则进入步骤
(5)；
[0066]
(5)如果g 1《n
rf
，则k＝k 1，返回步骤(2)；否则进入步骤(6)；
[0067]
(6)结束分组过程，以当前的用户分组为最终的用户分组。
[0068]
本实施例中，根据所有用户的波束空间信道计算用户分组方案的速率和可以包括：
[0069]
(1)根据所有用户的波束空间信道，计算用户分组方案所包括的每一用户组所需的功率；用户分组方案包括第一用户分组方案、第二用户分组方案和第三用户分组方案；
[0070]
具体的，(1)包括：
[0071]
(1.1)对于用户分组方案所包括的每一用户组，根据用户的波束空间信道确定用户组中每一用户的最强信道增益；
[0072]
对于用户组中的每一用户，选取用户的波束空间信道中的最大值作为用户的最强信道增益，记为
[0073]
(1.2)根据每一用户的速率需求和最强信道增益计算用户组所需的功率。
[0074]
先根据每一用户的速率需求确定每一用户所需的数据速率下限值；再将用户组中的用户按照波束空间信道从小到大的顺序依次排列，并按照功率计算公式计算每一用户所需的功率；最后对用户组中的所有用户所需的功率进行求和，得到用户组所需的功率。
[0075]
具体的，功率计算公式为：
[0076][0077]
式(3)中，pk为用户组g中的用户k所需的功率；rk为用户k所需的数据速率下限值；m＝1，2，...k-1；pm为用户m所需的功率；σ2为噪声功率；|gg|为用户组g中的用户数量；为用户k的最强信道增益。
[0078]
则用户组g所需的功率为：
[0079][0080]
式(4)中，g为用户分组方案所包括的用户组的个数。
[0081]
(2)根据所有用户组所需的功率，将基站总发射功率按比例分配至每一用户组，得到每一用户组的实际功率；
[0082]
将基站总发射功率按比例分配至每个用户组包括：
[0083][0084]
式(5)中，pg为第g个用户组的实际功率；p
tot
为基站总发射功率。
[0085]
(3)对于每一用户组，根据用户组中的所有用户的波束空间信道确定用户组的备选波束集合；在用户组的实际功率的约束下，采用sab算法从备选波束集合中选取使用户组的速率和最大化的波束，并以速率和的最大值作为用户组的速率和；
[0086]
其中，根据用户组中的所有用户的波束空间信道确定用户组的备选波束集合可以
包括：首先对于用户组中的每一用户，根据用户的波束空间信道，将用户在波束选择网络的所有波束上的信道增益降序排列，并选取排序位于前预设百分比的多个波束，组成用户对应的优势波束集合预设百分比可为10％。然后将用户组中的所有用户对应的优势波束集合取并集，得到用户组的优势波束集合。最后在波束选择网络的所有波束中去除除该用户组之外的其他用户组的优势波束集合内的波束，得到用户组的备选波束集合。
[0087]
第g组的优势波束集合为
[0088]
第g组的备选波束集合为
[0089]
其中，n＝{1,2,
…
,n}是波束选择网络中所有波束组成的集合；符号\表示从一个集合中减去一部分。
[0090]
其中，在用户组的实际功率的约束下，采用sab算法从备选波束集合中选取使用户组的速率和最大化的波束，并以速率和的最大值作为用户组的速率和，即在功率约束pg下，使用sab算法从中选择波束，使第g组用户的速率和最大化可以包括：
[0091]
(3.1)多次采用sab算法从备选波束集合中选取若干个波束，得到多个选中波束集合；采用sab算法选取若干个波束组成一个选中波束集合，多次采用即得到多个选中波束集合。
[0092]
(3.2)对于每一选中波束集合，将用户在选中波束集合中的每一波束上的信道增益进行求和，得到用户组中的每一用户的有效信道系数，并将用户组的所有用户按照有效信道系数降序排列；
[0093]
用户组g中用户k的有效信道系数的计算公式如下：
[0094][0095]
式(6)中，为用户k的有效信道系数；为用户k在波束j'上的信道增益；集合a
′
表示用户组g的选中波束集合(即sab算法所选择的波束组成的集合)，|a
′
|表示集合a
′
中元素的个数。
[0096]
(3.3)在用户组的实际功率的约束下，按照降序排列的顺序依次计算每一用户的功率；
[0097]
将第g个用户组中的|gg|个用户按照有效信道系数降序排列，即则|gg|个用户的译码次序是排在最后的用户(有效信道系数最小者，即第|gg|个用户)最先译码，排在最前的用户(有效信道系数最大者，即第1个用户)最后译码。
[0098]
基于上述排序为每个用户分配功率：使用noma sic译码时，排在最前的用户(即第1个用户)最后译码，所以其他用户(已经先译码)对其产生的干扰可以消除；而对于第k个用户(k＝2，3，4，
…
，|gg|)，noma多用户干扰仅仅来自于其前面的(k-1)个用户。使速率和最大时，排在后面的用户先分配仅满足最低要求的功率，第1个用户获得第k个用户(k＝2,3,4,
…
,|gg|)都已分配后剩余的所有功率。
[0099]
基于此，分配给用户|gg|的功率为：
[0100][0101]
分配给用户k的功率pk为：
[0102][0103]
式(7)和式(8)中，rk是第k个用户所需的数据速率下限值，k＝2，3
…
，|gg|。
[0104]
那么，分配给用户1的功率p1为：
[0105][0106]
(3.4)根据每一用户的功率确定每一用户的速率，对用户组中的所有用户的速率进行求和，得到选中波束集合对应的速率和；
[0107]
用户1达到的速率r1为
[0108][0109]
其余用户的速率均取其所需的数据速率下限值，则第g个用户组的速率之为：
[0110][0111]
(3.5)选取所有选中波束集合对应的速率和的最大值作为用户组的速率和，并将用户组的速率和对应的选中波束集合作为用户组所选的波束。
[0112]
(4)对所有用户组的速率和进行求和，得到用户分组方案的速率和。
[0113]
用户分组方案的速率和为：
[0114][0115]
在得到调整后用户分组方案后，本实施例的用户分组方法还包括：根据调整后用户分组方案所包括的用户组和每一用户组所选的波束(即(3.5)所选的波束)进行信号传输。
[0116]
实施例2：
[0117]
本实施例用于提供一种波束空间noma传输系统的用户分组系统，如图4所示，所述用户分组系统包括：
[0118]
波束空间信道计算模块m1，用于对于接入波束空间noma传输系统的每一用户，获取用户天线与凸镜天线阵列之间的信道，并根据所述信道确定所述用户的波束空间信道；
所述波束空间信道包括所述用户在波束选择网络的所有波束上的信道增益；
[0119]
初始分组模块m2，用于将所有所述用户组成第一用户组，得到第一用户分组方案，并根据所有所述用户的波束空间信道计算所述第一用户分组方案的第一速率和；
[0120]
调整模块m3，用于以速率和最大为目标，对所述第一用户分组方案进行调整，得到调整后用户分组方案。
[0121]
本说明书中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。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
[0122]
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。