一种IQI条件下中继协作NOMA系统的和速率优化方法

一种iqi条件下中继协作noma系统的和速率优化方法
技术领域
1.本发明属于noma技术领域，具体是基于iqi条件下中继协作noma系统的和速率优化方法。


背景技术：

2.随着物联网的快速发展，未来的无线通信技术需要提供大量的物联网设备，满足高频谱效率和低时延的要求。noma作为一种重要的多址技术，可以显著提高系统的频谱效率，并且利用sic技术消除用户之间的干扰。此外，它在确保用户公平性方面也发挥着重要作用。
3.协作中继传输也是未来无线通信网络的另一项有前途的技术，因为它提高了系统可靠性，扩展了网络覆盖范围，减轻了信道损伤，并确保了高服务质量(qos)。无线网络中的中继辅助通信更具吸引力，尤其是由于深度衰落、严重的阴影遮挡或距离超出源的范围，基站和移动终端之间没有直接链路。因此，对双跳中继系统的研究似乎是一个有吸引力的研究领域。
4.由于许多设备都配备了无线功能，并且无线产品的价格压力很大，直接转换架构的概念对于放大中继来说非常有用，可以满足这些要求。然而，众所周知的直接转换结构假设一个非常理想的射频前端。实际上，射频损伤会降低系统性能，例如高功率放大器(hpa)非线性、同相和正交相位(i/q)不平衡(iqi)、低噪声放大器(lna)非线性、天线耦合、相位噪声(pn)和载波频率偏移(cfo)。特别是，iqi表示i和q分支中模拟元件之间的不匹配，这是模拟硬件精度有限造成的，可能与频率无关，也可能与频率有关。与频率无关的iqi主要是由非理想混频器和移相器引起的，并且在整个信号带宽内保持不变，而与频率相关的iqi是由i和q低通滤波器不匹配引起的。对于正交频分复用系统，由于图像子载波干扰，iqi严重降低了系统性能。然而，也有很多不考虑iq imbalance的功率分配问题。在实际情况中，不能忽视通信系统中的iq imbalance。
5.alexandros-apostolos和a.boulogeorgos在《optimal power allocation for ofdma systems under i/q imbalance，in ieee signal processing letters,vol.23,no.11,pp.1677-1681,nov.2016》中分析了传统正交频分复用系统中只有接收端受到iqi的功率分配问题，该方法提高了系统的稳定性但是没有考虑发送端的iqi以及缺少中继来提高系统的性能。
6.jingya li等人在《i/q imbalance in two-way af relaying,in ieee transactions on communications,vol.62,no.7,pp.2271-2285,july 2014》中考虑了放大中继存在iqi条件下的功率分配问题，该方法提高了系统的中断性能，可是忽略了基站和接收端存在的iqi以及没有将noma应用于系统之中。
7.基于以上的分析，本发明同时考虑了接收端和发送端同时存在iqi的中继协作noma通信系统，假定系统拥有完美的csi，并且将接收用户设计为一个远用户和一个近用户通过中继同基站进行通信，本发明针对整个c-noma系统，以最大化和速率为准则，提出了一
种基于iqi的新的资源分配方法。


技术实现要素：

8.本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种iqi条件下中继协作noma系统的和速率优化方法。本发明的技术方案如下：
9.一种iqi条件下中继协作非正交多址接入(non-orthogonal multiple access，noma)系统的和速率的优化方法，其包括以下步骤：
10.步骤1)：初始化c-noma系统中的基站最大发射功率、中继最大发射功率、信道增益、高斯噪声标准差和速率初值；
11.步骤2)：通过引入iqi模型，基于基站和用户的iqi因素来建立c-noma系统的信噪比以及和速率的目标函数模型，在保证每个用户的qos的情况下对目标函数来进行优化；
12.步骤3)：最大化系统的和速率让基站和中继都满功率运作，此时优化的系数只有用户的功率分配系数，基于目标函数的非凸特性，采用对其和远用户的功率分配系数a1先进行一阶求导再在保证qos的情况下来确定远用户的目标功率分配系数
13.步骤4)：对于确定的由此确定出近用户的目标功率分配系数进而能够求出相应的和速率。
14.进一步的，所述步骤1)：初始化c-noma系统中的基站最大发射功率、中继最大发射功率、信道增益、高斯噪声标准差和速率初值，具体包括：
15.表示基站的最大发射功率、为中继的最大发射功率，基站到中继的信道增益h1＝g
sr
pl-1
、中继到远用户的信道增益h2＝g
rf
pl-1
、中继到近用户的信道增益h3＝g
rn
pl-1
、g
sr
,g
rf
,g
rn
分别代表基站到中继，中继到远用户，中继到近用户的小尺度瑞丽衰落信道增益，pl-1
代表不同距离下的路径损耗，σ2表示高斯噪声标准差。
16.进一步的，所述步骤2)引入基站发送端的iqi系数u
t
和v
t
以及接收端的iqi系数ur、vr，其中u
t
、g
t
表示发送端的幅度不平衡、φ
t
表示发送端的相位不平衡，gr表示接收端幅度不平衡、φr表示接收端的相位不平衡。令基站发送的信号g
t
表示正常发送的基带信号、分别表示对应系数的复共轭。接收端接收的信号y＝urx vrx*，x表示接受端的完美信号。假定完美的信道状态信息(channel state information,csi)和连续干扰消除(successive interference cancellation,sic)，考虑理想情况，其中远用户采用直接解码的方式信噪比为
[0017][0018]
h1、h2分别表示基站到中继的信道增益和中继到远用户的信道增益表示其复共轭、pr为中继发射功率、ps为基站发送功率、n0表示接收端的背景噪声、表示基站到用户的背景噪声，a1表示远用户的功率分配系数。
[0019]
近端用户采用完美的sic去除远用户的干扰，信噪比为
[0020][0021]
a2表示近用户的功率分配系数、h3表示中继到远用户的信道增益、表示其复共轭。
[0022]
建立系统的和速率问题1/2代表系统分为两个时隙，同时引入系统qos，系统满功率运作
[0023]
进一步的，所述步骤2)通过变量替换简化式子
[0024][0025][0026][0027][0028][0029]
由于目标函数是为了最大化和速率，令目标函数可用下面的变量替换可进一步简化为
[0030][0031][0032]
进一步的，所述步骤3)对于和速率目标函数此时优化的变量为功率分配系数a1和a2，鉴于目标函数的非凸特性，让目标函数对a1进行求导即和速率目标函数随着a1的增大而减小，又由于引入了qos令接收a1的远用户的速率恰好满足最小速率要求其中y＝2
2rmin-1。rmin表示系统的最小速率要求，即qos。
[0033]
进一步的，所述步骤4)根据步骤3)得出的远用户的功率分配系数反手求出近用户的功率分配系数从而可以得到在qos条件下的目标和速率函数的最大化；
[0034]
所述和速率目标函数为：
[0035]
[0036]
其中为基站发送的最大功率，为中继发送的最大功率，a1,a2,a3,b1,b2,c1,c2为与给定iqi相关的常数，n0为背景噪声。
[0037]
本发明的优点及有益效果如下：
[0038]
本发明基于现有的传统理想射频前端的noma网络和ofdma通信网络，提供了一种基于iqi的提高系统和速率的优化方法。本发明在满足用户服务质量,qos和基站，中继发送端功率分配的限制下，以最大化系统的和速率为准则建立优化模型。根据目标函数的性质，以最大化基站发送端和中继的功率运作，将式子简化为一个优化noma系统功率分配系数的函数。运用对目标函数对功率分配系数一阶求导，得到了远用户的功率分配系数a
1*
，推导证明得到了和速率最大化系统的功率分配系数。仿真结果表明，在保证每个用户qos的情况下，所提的方法提高了系统的和速率，并让整个系统中断性能得到了提升。
[0039]
本发明同时考虑了接收端和发送端同时存在iqi，并且运用noma功率分配来提高系统的频谱，与传统的(classical)不考虑iqi因素的模型相比，不仅满足了用户的服务质量，而且提高了系统的和速率和稳定性。
附图说明
[0040]
图1是本发明提供优选实施例一种iqi条件下中继协作noma系统的和速率优化方法的流程图；
[0041]
图2给出了系统的模型图；
[0042]
图3给出了本实例方法得到的不同iqi条件下的和速率图；
[0043]
图4分别为在一定iqi条件下的优化后的算法和传统的不考虑iqi的算法的和速率对比图；
[0044]
图5给出了iqi条件下在一定qos的条件下，优化后的算法和传统算法系统所允许的最大用户数目。
具体实施方式
[0045]
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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。
[0046]
本发明解决上述技术问题的技术方案是：
[0047]
本实施例为基于iqi条件下的c-noma系统的和速率最大化资源分配优化方案，系统模型为基站通过af放大中继同时对一个远用户和一个近用户进行通信交流，其中考虑基站和接收端存在iq imbalance，中继由于往往具有较高的精密性考虑为理想情况。基站和中继都采用单天线接收，信道采用瑞丽衰落模型，信道增益基站到中继h1＝g
sr
pl-1
，中继到远用户增益h2＝g
rf
pl-1
,中继到近用户增益h3＝g
rn
pl-1
，g
sr
,g
rf
,g
rn
分别代表基站到中继，中继到远用户，中继到近用户的小尺度瑞丽衰落信道增益，其中pl-1
是路径损耗为d表示距离，单位为km，即远用户的信道增益小于近用户的信道增益h2＜h3。
[0048]
下面简单介绍一下iqi模型，首先引入基站发送端的iqi系数和接收端g
t/r
和φ
t/r
分别为发送端/接收端的幅度和相位不平衡系数。令基站发送的信号接收端接收的信号y＝urx vrx*,x和g
t
分别为理想iq imbalance情况下的信号，即g
t
＝gr＝1，此时u
t
＝ur＝1,v
t
＝vr＝0。
[0049]
第一步，初始化c-noma系统中的基站最大发射功率，中继最大发射功率，信道增益，高斯噪声标准差和系统的和速率，确定基站发送信号
[0050]
第二步，通过iqi模型来建立引入基站和用户存在iqi因素的c-noma系统，并且假定完美的sic以及csi，由此确定远用户和近用户的信噪比
[0051][0052][0053]
其复共轭、pr为中继发射功率、ps为基站发送功率、n0表示接收端的背景噪声、表示基站到用户的背景噪声，a1表示远用户的功率分配系数。
[0054]
a2表示近用户的功率分配系数、h3表示中继到远用户的信道增益、表示其复共轭。
[0055]
建立系统的和速率问题1/2代表系统分为两个时隙，同时引入系统qos。通过变量替换简化式子
[0056][0057][0058][0059][0060][0061]
由于目标函数是为了最大化和速率，令目标函数可进一步用下面的变量替换简化为
[0062][0063][0064]
第三步，对于和速率目标函数此时
优化的变量为功率分配系数a1和a2，鉴于目标函数的非凸特性，让目标函数对a1进行求导即和速率目标函数随着a1的增大而减小，又由于我们引入了qos令接收a1的远用户的速率恰好满足最小速率要求其中y＝2
2rmin-1,rmin为系统的最小速率要求。
[0065]
第四步，根据第三步得出的远用户的目标功率分配系数反手求出近用户的目标功率分配系数从而可以得到在qos条件下的目标和速率函数的最大化。
[0066]
所述和速率目标函数为：
[0067][0068]
其中为基站发送的最大功率，为中继发送的最大功率，a1,a2,a3,b1,b2,c1,c2为与给定iqi相关的常数，n0为背景噪声。
[0069]
在本实施例中，图2为系统的模型图，图3给出了本实例方法得到的不同iqi条件下的和速率图；图4分别为在一定iqi条件下的优化后的算法和传统的不考虑iqi的算法的和速率对比图；图5给出了iqi条件下在一定qos的条件下，系统所允许的最大用户数目。由图3可见：iqi确实会降低系统的性能,尤其是在高信噪比区域，iqi确实是一个不可忽视因素，证明了我们考虑iqi因素的重要性。
[0070]
由图4可见，在同样的iqi条件下，所提的方法的和速率要明显大于传统的不考虑iqi的和速率，所提的方法比传统的方法表现更好。
[0071]
由图5可见在最小速率qos约束和不同的最大传输功率下，所提方法与传统不考虑iqi方法的接纳用户数性能的比较。从仿真结果来看，所提方法比传统方法具有更好的性能，这意味着该算法能够更好地满足系统的质量要求，降低系统的中断概率。
[0072]
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、商品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、商品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、商品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0073]
以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。