多用户公平协作非正交多址接入系统的信息传输方法

1.本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输。


背景技术：

2.无线能量收集是指通过射频信号进行能量收集的技术。无线能量收集技术作为一项便捷，高效的能量收集技术被广泛应用在无线通信技术领域。除此之外，无线能量收集技术可以同时实现信息解码和能量收集，因此无线能量收集技术具有较高的频谱效率。常用的两种无线能量收集技术分为时隙切换和功率分割两种方法。在时隙切换方法中，接收机需要分配两个不同的时隙，分别进行信息解码和能量收集。在功率分割方法中，接收机需要将收到的信号分为两部分，一部分用于信息解码，另一部分用于能量收集。由于时隙切换方法需要分配两个不同的时隙，系统的频谱利用率较低，因此功率分割方法受到了更多的关注。
3.协作非正交多址接入是指在非正交多址接入系统中，近用户在完成解码任务后转发远用户的信号对远用户进行协助，从而改善了远用户的用户服务质量。近些年来，无线能量收集与协作非正交多址接入的结合受到了越来越多的关注。在近用户处使用无线能量收集可以对近用户进行能量补偿，从而激励了近用户对远用户的协助。
4.公平式协作是指在非正交多址系统中，设计近用户和远用户都可以进行无线能量收集并相互协助。相较于传统的协作非正交多址接入系统，该技术可以在保证远用户传输性能的前提下，有效地提高近用户传输性能。
5.在多用户公平式协作非正交多址接入系统领域，当前需迫切解决的一个技术问题是提供一种合理的传输信号模型以及用户配对方法。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于克服上述现有技术的缺点，提供一种传输设计合理、方法简单、中断性能好的多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法。
7.解决上述技术问题所采用的技术方案是由下述步骤组成：
8.(1)确定传输周期的用户配对
9.按式(1)确定远用户的位置概率密度函数
[0010][0011]
其中，ra表示远用户分布的圆环外半径，ra取值为10～12m，rc表示远用户分布的圆环内半径，rc取值为8～10m，表示任意一个远用户到信源的距离，i为有限正整数。
[0012]
按式(2)确定近用户的位置概率密度函数
[0013][0014]
其中，rb表示近用户分布的圆盘半径，rb取值为2～4m，表示任意一个近用户到信源的距离，
[0015]
按式(1)和式(2)，选择i相同的近用户与远用户进行配对。
[0016]
(2)构建信号传输模型
[0017]
传输信号模型由信源节点与近用户节点、远用户节点依次串联，在信源节点与近用户节点、远用户节点上设置有单天线，构建成传输信号模型；基站给远用户和近用户发射叠加信号xs，近用户给远用户转发所需信号x1，远用户给近用户转发所需信号x2。
[0018]
(3)确定功率切分系数
[0019]
按式(3)确定远用户的功率切分系数
[0020][0021][0022][0023]
其中，r
th
是门限速率，r
th
取值为0～2bit/s/hz，ρ是发射信噪比，ρ取值为10～50db，p2是近用户的功率分配系数，p2∈(0,1)，α是路径损耗指数，α取值为2～4，是信源到远用户的信道增益，取值为0.6～1。
[0024]
按式(4)确定近用户的功率切分系数
[0025][0026]
其中，是信源到近用户的信道增益，取值为0.6～1；
[0027]
(4)确定用户协作方式
[0028]
按式(3)和式(4)确定用户协作方式，在不为0时，近用户转发信号x1给远用户，在不为0时，远用户转发信号x2给近用户。
[0029]
(5)确定中断概率和分集阶数
[0030]
按式(5)确定近用户的中断概率
[0031][0032][0033][0034][0035][0036][0037][0038][0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045][0046]
c0＝0.0772
[0047][0048][0049][0050][0051][0052][0053]
其中，η是转换效率，η取值为0～1，n是高斯切比雪夫近似参数，n取值为100～150，m是高斯切比雪夫近似参数，m取值为100～150，k是高斯切比雪夫近似参数，k取值为100～150。
[0054]
按式(6)确定远用户的中断概率
[0055][0056][0057][0058]
按式(7)确定近用户的分集阶数
[0059][0060]
按式(8)确定远用户的分集阶数
[0061][0062]
在本发明的ra取值为10m，rc取值为8m；在(1)步骤的式(2)中，所述的rb取值最佳为3m。
[0063]
在本发明(3)步骤的式(3)中，所述的r
th
是门限速率，r
th
取值最佳为1bit/s/hz，ρ是发射信噪比，ρ取值最佳为30db，p2是近用户的功率分配系数，p2最佳为0.5，α是路径损耗指数，α取值最佳为3，是信源到远用户的信道增益，取值最佳为0.8。
[0064]
在本发明(3)步骤的式(4)中，所述的是信源到近用户的信道增益，取值最佳为0.8。
[0065]
在本发明(5)步骤的式(5)中，所述的η是转换效率，η取值为0.5，n是高斯切比雪夫近似参数，n取值最佳为125，m是高斯切比雪夫近似参数，m取值最佳为125，k是高斯切比雪夫近似参数，k取值最佳为125。
[0066]
由于本发明采用多用户公平式协作非正交多址接入系统，建立了合理的传输信号模型，提出了一种公平式协作模式和用户配对方法，利用有限的频谱资源，提高了该系统的中断性能和分集增益，本发明经对比仿真实验，实验结果表明，本发明的中断性能优于对比实验。本发明与对比实验相比，近用户中断概率降低了0.1003～0.000247，本发明的中断性能优于对比实验。本发明具有传输设计合理、易于实现、中断性能好等优点，可用于无线通信技术领域。
附图说明
[0067]
图1是本发明实施例1的工艺流程图。
[0068]
图2是本发明实施例1的对比仿真曲线。
具体实施方式
[0069]
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明，但本发明不限于下述的实施方式。
[0070]
实施例1
[0071]
在图1中，本实施例的多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法由下述步骤组成：
[0072]
(1)确定传输周期的用户配对
[0073]
按式(1)确定远用户的位置概率密度函数
[0074][0075]
其中，ra表示远用户分布的圆环外半径，ra取值为10～12m，本实施例的ra取值为11m，rc表示远用户分布的圆环内半径，rc取值为8～10m，本实施例的rc取值为9m，表示任意一个远用户到信源的距离，i为有限正整数。
[0076]
按式(2)确定近用户的位置概率密度函数
[0077][0078]
其中，rb表示近用户分布的圆盘半径，rb取值为2～4m，本实施例的rb取值为3m，表示任意一个近用户到信源的距离，
[0079]
按式(1)和式(2)，选择i相同的近用户与远用户进行配对；
[0080]
(2)构建信号传输模型
[0081]
传输信号模型由信源节点与近用户节点、远用户节点依次串联，在信源节点与近用户节点、远用户节点上设置有单天线，构建成传输信号模型。基站给远用户和近用户发射叠加信号xs，近用户给远用户转发所需信号x1，远用户给近用户转发所需信号x2。
[0082]
(3)确定功率切分系数
[0083]
按式(3)确定远用户的功率切分系数
[0084][0085][0086][0087]
其中，r
th
是门限速率，r
th
取值为0～2bit/s/hz，本实施例的r
th
取值为1bit/s/hz，ρ是发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的取值为30，p2是近用户的功率分配系数，p2∈(0,1)，本实施例的p2取值为0.5，α是路径损耗指数，α取值为2～4，本实施例的α取值为3，是信源到远用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为0.8。
[0088]
按式(4)确定近用户的功率切分系数
[0089][0090]
其中，是信源到近用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为0.8。
[0091]
(4)确定用户协作方式
[0092]
按式(3)和式(4)确定用户协作方式，在不为0时，近用户转发信号x1给远用户，在不为0时，远用户转发信号x2给近用户；
[0093]
(5)确定中断概率和分集阶数
[0094]
按式(5)确定近用户的中断概率
[0095][0096][0097][0098][0099][0100][0101][0102][0103][0104][0105][0106][0107][0108][0109][0110]
c0＝0.0772
[0111]
[0112][0113][0114][0115][0116][0117]
其中，η是转换效率，η取值为0～1，本实施例的η取值为0.5，n是高斯切比雪夫近似参数，n取值为100～150，本实施例的n取值为125，m是高斯切比雪夫近似参数，m取值为100～150，本实施例的m取值为125，k是高斯切比雪夫近似参数，k取值为100～150，本实施例的k取值为125。
[0118]
按式(6)确定远用户的中断概率
[0119][0120][0121][0122]
按式(7)确定近用户的分集阶数
[0123][0124]
按式(8)确定远用户的分集阶数
[0125][0126]
完成多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法。
[0127]
实施例2
[0128]
本实施例的多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法由下述步骤组成：
[0129]
(1)确定传输周期的用户配对
[0130]
按式(1)确定远用户的位置概率密度函数
[0131][0132]
其中，ra表示远用户分布的圆环外半径，ra取值为10～12m，本实施例的ra取值为10m，rc表示远用户分布的圆环内半径，rc取值为8～10m，本实施例的rc取值为8m，表示任意一个远用户到信源的距离，i为有限正整数。
[0133]
按式(2)确定近用户的位置概率密度函数
[0134][0135]
其中，rb表示近用户分布的圆盘半径，rb取值为2～4m，本实施例的rb取值为2m，表示任意一个近用户到信源的距离，
[0136]
按式(1)和式(2)，选择i相同的近用户与远用户进行配对。
[0137]
(2)构建信号传输模型
[0138]
该步骤与实施例1相同。
[0139]
(3)确定功率切分系数
[0140]
按式(3)确定远用户的功率切分系数
[0141][0142][0143][0144]
其中，r
th
是门限速率，r
th
取值为0～2bit/s/hz，本实施例的r
th
取值为0bit/s/hz，ρ是发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的取值为10，p2是近用户的功率分配系数，p2∈(0,1)，本实施例的p2取值为0.1，α是路径损耗指数，α取值为2～4，本实施例的α取值为2，是信源到远用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为0.6。
[0145]
按式(4)确定近用户的功率切分系数
[0146]
[0147]
其中，是信源到近用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为0.6。
[0148]
(4)确定用户协作方式
[0149]
该步骤与实施例1相同。
[0150]
(5)确定中断概率和分集阶数
[0151]
按式(5)确定近用户的中断概率
[0152][0153][0154][0155][0156][0157][0158][0159][0160][0161][0162][0163][0164]
[0165][0166][0167]
c0＝0.0772
[0168][0169][0170][0171][0172][0173][0174]
其中，η是转换效率，η取值为0～1，本实施例的η取值为0，n是高斯切比雪夫近似参数，n取值为100～150，本实施例的n取值为100，m是高斯切比雪夫近似参数，m取值为100～150，本实施例的m取值为100，k是高斯切比雪夫近似参数，k取值为100～150，本实施例的k取值为100。
[0175]
按式(6)确定远用户的中断概率
[0176][0177][0178][0179]
按式(7)确定近用户的分集阶数
[0180][0181]
按式(8)确定远用户的分集阶数
[0182]
[0183]
完成多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法。
[0184]
实施例3
[0185]
本实施例的多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法由下述步骤组成：
[0186]
(1)确定传输周期的用户配对
[0187]
按式(1)确定远用户的位置概率密度函数
[0188][0189]
其中，ra表示远用户分布的圆环外半径，ra取值为10～12m，本实施例的ra取值为12m，rc表示远用户分布的圆环内半径，rc取值为8～10m，本实施例的rc取值为10m，表示任意一个远用户到信源的距离，i为有限正整数。
[0190]
按式(2)确定近用户的位置概率密度函数
[0191][0192]
其中，rb表示近用户分布的圆盘半径，rb取值为2～4m，本实施例的rb取值为4m，表示任意一个近用户到信源的距离，
[0193]
按式(1)和式(2)，选择i相同的近用户与远用户进行配对；
[0194]
(2)构建信号传输模型
[0195]
该步骤与实施例1相同。
[0196]
(3)确定功率切分系数
[0197]
按式(3)确定远用户的功率切分系数
[0198][0199][0200][0201]
其中，r
th
是门限速率，r
th
取值为0～2bit/s/hz，本实施例的r
th
取值为2bit/s/hz，ρ是发射信噪比，ρ取值为10～50db，本实施例的取值为50，p2是近用户的功率分配系数，p2∈(0,1)，本实施例的p2取值为0.9，α是路径损耗指数，α取值为2～4，本实施例的α取值为4，是信源到远用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为1。
[0202]
按式(4)确定近用户的功率切分系数
[0203][0204]
其中，是信源到近用户的信道增益，取值为0.6～1，本实施例的取值为1.0。
[0205]
(4)确定用户协作方式
[0206]
该步骤与实施例1相同。
[0207]
(5)确定中断概率和分集阶数
[0208]
按式(5)确定近用户的中断概率
[0209][0210][0211][0212][0213][0214][0215][0216][0217][0218]
[0219][0220][0221][0222][0223][0224]
c0＝0.0772
[0225][0226][0227][0228][0229][0230][0231]
其中，η是转换效率，η取值为0～1，本实施例的η取值为1.0，n是高斯切比雪夫近似参数，n取值为100～150，本实施例的n取值为150，m是高斯切比雪夫近似参数，m取值为100～150，本实施例的m取值为150，k是高斯切比雪夫近似参数，k取值为100～150，本实施例的k取值为150。
[0232]
按式(6)确定远用户的中断概率
[0233][0234][0235][0236]
按式(7)确定近用户的分集阶数
[0237][0238]
按式(8)确定远用户的分集阶数
[0239][0240]
完成多用户公平式协作非正交多址接入系统的信息传输方法。
[0241]
为了验证本发明的有益效果，发明人采用本发明实施例1的多用户公平协作非正交多址接入系统的信息传输方法与y.liu,z.ding,m.elkashlan and h.v.poor,"cooperative non-orthogonal multiple access with simultaneous wireless information and power transfer,"in ieee journal on selected areas in communications,vol.34,no.4,pp.938-953,april 2016(以下简称对比实验)进行了对比仿真实验，实验结果见图2，图2显示了发射信噪比与近用户中断概率关系。由图2可见，在α＝3，每一个传输周期的发射信噪比为10db～50db时，本发明与对比实验相比，近用户中断概率降低了0.1003～0.000247。本发明的中断性能优于对比实验。