本發(fā)明涉及通信領(lǐng)域，尤其涉及一種保證用戶公平性的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法。

背景技術(shù)：

在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，多址接入技術(shù)是滿足多個(gè)用戶同時(shí)進(jìn)行通信的必要手段和關(guān)鍵技術(shù)。縱觀歷史，每一代移動(dòng)通信系統(tǒng)的出現(xiàn)都伴隨著多址接入技術(shù)的革新，而1g到4g系統(tǒng)所采用的多址接入技術(shù)都是正交的多址技術(shù)，4g(第四代移動(dòng)通信技術(shù))以ofdma(正交頻分多址接入技術(shù))為基礎(chǔ)，它具有頻譜效率高、帶寬擴(kuò)展性強(qiáng)、抗多徑衰落、抗碼間干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率達(dá)到每秒百兆甚至千兆比特，能夠在較大程度上滿足今后一段時(shí)期內(nèi)的寬帶移動(dòng)通信應(yīng)用需求。但隨著智能終端普及，應(yīng)用和移動(dòng)新業(yè)務(wù)的需求持續(xù)增長(zhǎng)，無(wú)線傳輸速率需求呈指數(shù)增長(zhǎng)，無(wú)線通信的傳輸速率將難以滿足未來(lái)移動(dòng)通信的應(yīng)用需求，頻譜資源也變得越來(lái)越緊張，高頻段頻譜資源未得到開發(fā)。面向5g頻譜效率提升5～15倍的需求，業(yè)內(nèi)提出采用新型多址接入復(fù)用方式，即非正交多址技術(shù)。

noma(非正交多址接入)技術(shù)是5g非正交多址接入候選技術(shù)中最有潛力的競(jìng)爭(zhēng)者之一，它引入了功率域的應(yīng)用。noma技術(shù)在同一個(gè)子載波、同一個(gè)ofdm符號(hào)對(duì)應(yīng)的同一個(gè)時(shí)頻塊上，給多個(gè)用戶分配不同的功率因子并進(jìn)行線性疊加，通過(guò)在接收端采用sic(串行干擾消除)接收機(jī)實(shí)現(xiàn)多用戶檢測(cè)，就能區(qū)分出不同的用戶，從而達(dá)到多用戶共享同一時(shí)頻資源塊的目的。由于系統(tǒng)在頻域和時(shí)域上仍然保持各子載波正交和每個(gè)ofdm符號(hào)前cp(循環(huán)前綴)，noma技術(shù)的基礎(chǔ)仍是成熟的ofdm技術(shù)，這也讓它的實(shí)現(xiàn)難度相對(duì)較小。sic技術(shù)的基本思想是采用逐級(jí)消除干擾策略，在接收信號(hào)中對(duì)用戶逐個(gè)進(jìn)行判決，進(jìn)行幅度恢復(fù)后，將該用戶信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾從接收信號(hào)中減去，并對(duì)剩下的用戶再次進(jìn)行判決，如此循環(huán)操作，直至消除所有的多址干擾，而判決的依據(jù)就是用戶信號(hào)功率大小?；驹诎l(fā)送端會(huì)對(duì)不同的用戶分配不同的信號(hào)功率，來(lái)獲取系統(tǒng)最大的性能增益，同時(shí)達(dá)到區(qū)分用戶的目的，這就是功率復(fù)用技術(shù)。在這樣的多用戶調(diào)度過(guò)程中，就需要考慮子載波上的用戶分簇過(guò)程。

回顧經(jīng)典的用戶配對(duì)算法，目前已有的方案包括隨機(jī)用戶配對(duì)算法(randompairingalgorithm，rpa)、行列式用戶配對(duì)算法(determinantpairingalgorithm，dpa)和分組隨機(jī)配對(duì)調(diào)度(grouprandompairingschedule，grps)。其中，rpa算法是最簡(jiǎn)單的算法，基站在候選用戶集中隨機(jī)選擇兩個(gè)用戶進(jìn)行配對(duì)，在相同的子載波上采用疊加編碼將配對(duì)用戶信息編碼后進(jìn)行發(fā)送，主要利用參量用戶約定信息速率(committedinformationrate，cir)來(lái)選擇用戶，其本質(zhì)是根據(jù)用戶業(yè)務(wù)所需的帶寬，每個(gè)子頻帶選擇適合大小的用戶。雖然rpa算法最為簡(jiǎn)單，但是無(wú)法利用配對(duì)用戶之間的信道條件，因此系統(tǒng)性能較差。dpa算法利用了正交性的原理，它首先根據(jù)調(diào)度選擇首用戶，然后根據(jù)不同用戶小尺度衰落情況選擇信道正交性最好的兩個(gè)用戶進(jìn)行空分復(fù)用，但由于只參考用戶小尺度衰落的信息，配對(duì)的用戶可能同處于小區(qū)邊緣，這樣會(huì)對(duì)系統(tǒng)的總吞吐量造成很大的損失。grps算法首先根據(jù)用戶的長(zhǎng)期平均信干噪比(sinr)將用戶分為2組，1組用戶為信號(hào)較強(qiáng)的用戶集合，另一組用戶為信號(hào)較弱的用戶集合，隨后調(diào)度機(jī)從這2組用戶中各隨機(jī)挑選1個(gè)用戶進(jìn)行配對(duì)，隨機(jī)挑選沒有利用用戶的信道信息，也無(wú)法獲得更高的系統(tǒng)吞吐量?？梢娚鲜龅娜N算法都無(wú)法兼顧用戶公平性和系統(tǒng)性能這兩點(diǎn)，由此可見用戶分簇方案的重要性。不同的分簇方案會(huì)產(chǎn)生不同的效果，若采用了不合理的分簇方式，可能就無(wú)法展現(xiàn)noma的優(yōu)勢(shì)甚至讓系統(tǒng)性能變得不如從前；而若采用了合理的用戶分簇方式，就可能達(dá)到預(yù)期的效果。而理論上說(shuō)，每個(gè)子載波上用戶信道狀況差異越大，其配對(duì)的效果也就越好。

在noma系統(tǒng)的配對(duì)算法中，若追求的優(yōu)化目標(biāo)不同，那么也相應(yīng)的需指定不同的用戶分簇算法。從理論上來(lái)講，在列出目標(biāo)函數(shù)式之后，若采用窮舉遍歷的方法就能找到最優(yōu)解，但這個(gè)過(guò)程的復(fù)雜度太高、計(jì)算時(shí)間太長(zhǎng)，不適合用于實(shí)際系統(tǒng)中，因此就需要針對(duì)優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行合理的用戶分簇方案設(shè)計(jì)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問(wèn)題，特別創(chuàng)新地提出了一種保證用戶公平性的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法。

為了實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的上述目的，本發(fā)明的一種保證用戶公平性的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法，包括以下步驟：

s1：選定每一簇的主用戶及與其同時(shí)傳輸?shù)挠脩艉蜻x集，包括：

s1-1：確定總用戶集u＝{1，…，i，…，j…，k}，計(jì)算候選用戶集u中的用戶信道模值，將用戶信道模值按照降序進(jìn)行排序；

s1-2：從排序在前的用戶中隨機(jī)選取m個(gè)用戶，將它們分別分配于m簇中作為這m簇中的主用戶；

s1-3：設(shè)置信道模值門限間隔值為δ，對(duì)步驟s1-2中選取出的m個(gè)主用戶，將與它們信道模值的間隔值不小于δ的用戶放在它們各自相對(duì)應(yīng)的用戶候選集中，第m簇中主用戶的用戶候選集被記為um(1≤m≤m)，所有用戶候選集的集合為

s2：給第m簇分配用戶，1≤m≤m，包括：

s2-1：將每一簇的用戶數(shù)lm按照升序排列，初始化m＝0，設(shè)置一個(gè)吞吐量閾值cth；

s2-2：更新m＝m+1，設(shè)第m簇的第1個(gè)主用戶的用戶候選集u1＝um，設(shè)第m簇中已分配的用戶數(shù)為q，初始化q＝1，1≤q≤lm；

s2-3：判斷um是否為空集，若um≠φ，跳至步驟s2-4，若um＝φ，跳至步驟s2-5；

s2-4：第m簇中已有一個(gè)主用戶，在該主用戶的用戶候選集um中隨機(jī)選取用戶i分配至第m簇，然后跳至步驟s2-6；

s2-5：在u1中選取和主用戶信道模值間隔最大的用戶i分配至第m簇，然后跳至步驟s2-6；

s2-6：標(biāo)記用戶i為第m簇新的主用戶，在集合u1中剔除用戶i，在更新后的u1中找出用戶i的用戶候選集作為新的um，更新q＝q+1，若q≠lm，跳至步驟s2-3，否則跳至步驟s2-7；

s2-7：更新未分配簇的主用戶的用戶候選集，從um+1～um中剔除已被分配至第m簇中的用戶；

s2-8：計(jì)算第m簇用戶的總吞吐量cm，其中若cm≥cth則跳至步驟s2-2，若cm<cth則跳至步驟s3；

s3：在剩余的簇中對(duì)還未分配的用戶進(jìn)行窮舉搜索，記錄用戶分簇組合方式。

綜上所述，由于采用了上述技術(shù)方案，本發(fā)明的有益效果是：

1、保證了用戶公平性。用戶公平性體現(xiàn)在讓傳輸過(guò)程中信噪比最低的用戶的吞吐量盡可能的大，本發(fā)明就以此作為優(yōu)化目標(biāo)，且算法流程中采用的分組的方法也能讓每一個(gè)用戶都被分配在某一個(gè)或多個(gè)候選集中，確保了用戶被服務(wù)機(jī)會(huì)的公平性，這樣從機(jī)會(huì)和質(zhì)量?jī)煞矫姹Ｕ狭擞脩艄叫浴?/p>

2、運(yùn)算復(fù)雜度低。算法通過(guò)利用排序法和以信道狀態(tài)信息差為依據(jù)的分組法，在對(duì)系統(tǒng)性能影響較低的情況下，大大降低了計(jì)算中原本需要遍歷的組合數(shù)，減少了運(yùn)算復(fù)雜度，縮短了一次分簇的時(shí)間。

3、符合實(shí)際應(yīng)用需求。實(shí)際應(yīng)用中，通信系統(tǒng)既要保證用戶的公平性，還要能夠根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的更新，本發(fā)明同時(shí)考慮了這兩點(diǎn)，通過(guò)根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)置不同的動(dòng)態(tài)簇更新時(shí)間，能夠使系統(tǒng)得到更好的性能。

本發(fā)明的附加方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過(guò)本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說(shuō)明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點(diǎn)從結(jié)合下面附圖對(duì)實(shí)施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：

圖1是典型的noma系統(tǒng)的模型示意圖；

圖2是sic接收機(jī)的工作原理圖；

圖3是本發(fā)明用戶分簇方法的一種具體實(shí)施方式流程圖。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例，所述實(shí)施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號(hào)表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過(guò)參考附圖描述的實(shí)施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語(yǔ)“縱向”、“橫向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內(nèi)”、“外”等指示的方位或位置關(guān)系為基于附圖所示的方位或位置關(guān)系，僅是為了便于描述本發(fā)明和簡(jiǎn)化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構(gòu)造和操作，因此不能理解為對(duì)本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，除非另有規(guī)定和限定，需要說(shuō)明的是，術(shù)語(yǔ)“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機(jī)械連接或電連接，也可以是兩個(gè)元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過(guò)中間媒介間接相連，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員而言，可以根據(jù)具體情況理解上述術(shù)語(yǔ)的具體含義。

圖1是本發(fā)明所應(yīng)用的noma系統(tǒng)的用戶資源分配示意圖。如圖1所示，用戶資源的分配在一個(gè)三維坐標(biāo)圖中，三個(gè)坐標(biāo)軸分別代表時(shí)間、頻率和功率，在同一個(gè)時(shí)頻資源塊上有多個(gè)用戶疊加，相互疊加的用戶擁有不同的功率，其中的時(shí)頻資源塊的分配配置完全和ofdm相同。

考慮一個(gè)mimo-noma下行鏈路通信場(chǎng)景，假設(shè)每個(gè)基站裝有m根天線，每個(gè)用戶裝有n根天線，場(chǎng)景中共有k個(gè)用戶，為了便于noma技術(shù)在mimo場(chǎng)景中的實(shí)施，本發(fā)明考慮將k個(gè)用戶分為m簇，假設(shè)每一簇所包含的用戶個(gè)數(shù)為lm(m＝1，…，m)，根據(jù)noma系統(tǒng)的特性設(shè)置每一簇中至少有2個(gè)用戶，合理假設(shè)k≥2m，所有簇的用戶數(shù)集合為l＝{l1、l2、…lm}，lm≥2且有假設(shè)發(fā)送端傳輸?shù)臄?shù)據(jù)為

其中p為預(yù)編碼矩陣，為m×1維向量如下所示：

其中的第m行為第m簇所發(fā)送的信號(hào)，αm,k代表第m簇中第k個(gè)用戶的功率因子，sm,k代表第m簇中第k個(gè)用戶所發(fā)送的信號(hào)。故接收端所接收到的第m簇中第k個(gè)用戶信號(hào)為

其中，hm,k代表第m簇中第k個(gè)用戶的n×m維的信道矩陣，nm,k為加性高斯白噪聲矢量。

在接收端接收信號(hào)時(shí)，會(huì)受到簇間干擾和簇內(nèi)干擾，這將導(dǎo)致系統(tǒng)性能受到嚴(yán)重的影響，因此，在接收端采用檢測(cè)矩陣w幫助消除干擾，此時(shí)接收端接收到的信號(hào)可表示為：

當(dāng)滿足條件wi,k^hhi,kpm＝0，即

則可消除掉接收信號(hào)中的簇間干擾部分。

如圖2所示，為sic接收機(jī)的工作原理圖，從圖中可以看到，sic接收機(jī)采用逐級(jí)消除干擾策略，在接收信號(hào)中對(duì)用戶逐個(gè)進(jìn)行判決，進(jìn)行幅度恢復(fù)后，將該用戶信號(hào)產(chǎn)生的多址干擾從接收信號(hào)中減去，并對(duì)剩下的用戶再次進(jìn)行判決，如此循環(huán)操作，直至消除所有的多址干擾，而判決的依據(jù)就是用戶信號(hào)功率大小?？紤]到用戶公平性，通常需要先解調(diào)信道條件差的用戶，即給每一簇中信道條件最差的用戶分配最大的功率分配系數(shù)αm,k，將第m簇中的用戶按照信道條件排序?yàn)?/p>

故上式中的用戶1分得的功率因子最小，后面的用戶隨著信道條件變差功率因子逐漸增大，且在接收端進(jìn)行檢測(cè)時(shí)，將先檢測(cè)序號(hào)大的用戶。由此，可得出第m簇中的第k個(gè)用戶處檢測(cè)用戶j(1≤k≤j≤lm)的信干噪比

其中w為噪聲的信干噪比，特別地，當(dāng)k＝j(luò)＝1時(shí)

本發(fā)明的優(yōu)化目標(biāo)就是最大化信道質(zhì)量最差用戶的吞吐量，即

其中ω表示所有的用戶分簇組合的集合。

圖3是本發(fā)明用戶動(dòng)態(tài)分簇方法的一種具體實(shí)施方式流程圖，如圖3所示，本發(fā)明的一種保證用戶公平性的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法包括如下步驟：

s1：選定每一簇的主用戶及與其同時(shí)傳輸?shù)挠脩艉蜻x集，包括：

s1-1：確定總用戶集u＝{1，…，i，…，j…，k}，計(jì)算候選用戶集u中的用戶信道模值，將用戶信道模值按照降序進(jìn)行排序；

s1-2：從排序在前的用戶中隨機(jī)選取m個(gè)用戶，將它們分別分配于m簇中作為這m簇中的主用戶；

s1-3：設(shè)置信道模值門限間隔值為δ，對(duì)步驟s1-2中選取出的m個(gè)主用戶，將與它們信道模值的間隔值不小于δ的用戶放在它們各自相對(duì)應(yīng)的用戶候選集中，第m簇中主用戶的用戶候選集被記為um(1≤m≤m)，所有用戶候選集的集合為

s2：給第m簇分配用戶，1≤m≤m，包括：

s2-1：將每一簇的用戶數(shù)lm按照升序排列，初始化m＝0，設(shè)置一個(gè)吞吐量閾值cth；

s2-2：更新m＝m+1，設(shè)第m簇的第1個(gè)主用戶的用戶候選集u1＝um，設(shè)第m簇中已分配的用戶數(shù)為q，初始化q＝1，1≤q≤lm；

s2-3：判斷um是否為空集，若um≠φ，跳至步驟s2-4，若um＝φ，跳至步驟s2-5；

s2-4：第m簇中已有一個(gè)主用戶，在該主用戶的用戶候選集um中隨機(jī)選取用戶i分配至第m簇，然后跳至步驟s2-6；

s2-5：在u1中選取和主用戶信道模值間隔最大的用戶i分配至第m簇，然后跳至步驟s2-6；

s2-6：標(biāo)記用戶i為第m簇新的主用戶，在集合u1中剔除用戶i，在更新后的u1中找出用戶i的用戶候選集作為新的um，更新q＝q+1，若q≠lm，跳至步驟s2-3，否則跳至步驟s2-7；

s2-7：更新未分配簇的主用戶的用戶候選集，從um+1～um中剔除已被分配至第m簇中的用戶；

s2-8：計(jì)算第m簇用戶的總吞吐量cm，其中若cm≥cth則跳至步驟s2-2，若cm<cth則跳至步驟s3；

s3：在剩余的簇中對(duì)還未分配的用戶進(jìn)行窮舉搜索，記錄用戶分簇組合方式。

本發(fā)明一種保證用戶公平性的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法，首先對(duì)每個(gè)用戶的信道狀態(tài)將它們的信道模值按照降序進(jìn)行排序，在排序?yàn)榍?imgfile="bda0001293249990000111.gif"wi="96"he="133"img-content="drawing"img-format="gif"orientation="portrait"inline="no"/>的用戶中隨機(jī)選取m個(gè)用戶分別作為m簇中的主用戶，具有合理性；然后依據(jù)同一簇中用戶的信道狀態(tài)相差大時(shí)有助于接收端識(shí)別的特點(diǎn)，將每個(gè)與主用戶間的信道模值間隔達(dá)到δ的用戶分配至該主用戶的用戶候選集中，作為分為同簇的依據(jù)，保障了用戶的公平性也使得系統(tǒng)性能更加；在已分配用戶簇的吞吐量達(dá)到所設(shè)門限值cth時(shí)，分配用戶時(shí)從主用戶的用戶候選集中選擇同簇用戶，在對(duì)性能影響較小的情況下大大縮減了算法計(jì)算復(fù)雜度；當(dāng)已分配用戶簇的吞吐量低于cth時(shí)，采用窮舉搜索的方法，讓系統(tǒng)性能更佳。本發(fā)明的noma用戶動(dòng)態(tài)分簇方法，在保障用戶公平性的前提下，進(jìn)一步提高了系統(tǒng)性能并降低了算法運(yùn)算復(fù)雜度。

在本說(shuō)明書的描述中，參考術(shù)語(yǔ)“一個(gè)實(shí)施例”、“一些實(shí)施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實(shí)施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)包含于本發(fā)明的至少一個(gè)實(shí)施例或示例中。在本說(shuō)明書中，對(duì)上述術(shù)語(yǔ)的示意性表述不一定指的是相同的實(shí)施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點(diǎn)可以在任何的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例或示例中以合適的方式結(jié)合。

盡管已經(jīng)示出和描述了本發(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明的原理和宗旨的情況下可以對(duì)這些實(shí)施例進(jìn)行多種變化、修改、替換和變型，本發(fā)明的范圍由權(quán)利要求及其等同物限定。