适用非正交多址系统的新用户差异性选择接入方法

摘要

适用非正交多址系统的新用户差异性选择接入方法，涉及一种适用非正交多址系统的新用户差异性选择接入技术。它是为了满足非正交多址系统下的新加入用户更好的接入到网络。其方法：第一步、建立全频带候选用户集的信息资源池；第二步、选择子频带，满足带宽需求；第三步、顺序计算信干噪比差值；第四步、计算各子频带满足预设标准的用户数占各子频带总候选用户的比值Al，按比值Al从小到大的顺序排序。第五步：选择第六步、将新接入用户信息与其他候选用户信息采用叠加编码实现非正交编码，完成信号的发送。本发明适用于适用非正交多址系统的新用户差异性选择接入，本发明能够满足未来5G新用户接入方案的需求。

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用非正交多址系统(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)的新用户 差异性选择接入技术。

背景技术

移动通信技术发展到今天，频谱资源也变得越来越紧张了。同时，为了满足飞速增长的 移动业务需求，人们已经开始在寻找既能满足用户体验需求又能提高频谱效率的新的移动通 信技术。在这种背景下人们提出了非正交多址技术(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)。

非正交多址技术(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)的基本思想是在发射端采用非 正交方式发送用户信息，主动引入干扰信息，主要采用叠加码(SC，Superposition Coding)来实 现，在接收端通过串行干扰删除(SIC，Successive Interference Cancellation)接收机或其他的有 效接收机实现正确解调。虽然采用SIC技术的接收机复杂度有一定的提高，但是可以很好地 提高频谱效率。用提高接收机的复杂度来换取频谱效率，这就是NOMA技术的本质。

NOMA技术的子信道传输依然采用正交频分复用(OFDM，Orthogonal Frequency Division  Multiplexing)技术，子信道之间是正交的，互不干扰，但是每个子信道上不再只分配给一个用 户，而是多个用户共享。同一子信道上不同用户之间是非正交传输，这样就会产生用户间干 扰问题，因此，在接收端要采用SIC技术进行多用户检测，从而实现正确接收相应的信息的 目的。在发送端，对同一子信道上的不同用户采用功率复用技术进行发送，不同的用户的信 号功率按照相关的算法进行分配，这样到达接收端每个用户的信号功率都不一样。SIC接收 机再根据不同户用信号功率大小按照一定的顺序进行干扰消除，实现正确解调，同时也达到 了区分用户的目的。

LTE系统中的新用户接入方案都是针对正交多址系统而言的。非正交系统下的新用户接 入方案无法直接移植正交系统下的方案，需要提出一个适合非正交多址系统的新用户差异性 选择接入方案，满足未来5G新用户接入方案的需求。

发明内容

本发明是为了满足非正交多址系统下的新加入用户更好的接入到网络，从而提供一种适 用非正交多址系统的新用户差异性选择接入方法。

适用非正交多址系统的新用户差异性选择接入方法，它由以下步骤实现：

步骤一、将整个频带B划分为S个子频带，S为正整数；每个子频带复用N个候选用户， N为正整数；在每个子频带中，N个候选用户将自身的信道条件和所属的子频带号放在一个 存储器中，并按子频带的大小进行排序；从而建立全频带的候选用户集的信息资源池；

步骤二、新接入用户根据自身的业务需求，在全频带的候选用户集的信息资源池中选择 满足自身业务需求的子频带初始值，之后记录满足带宽大小的子频带序号，并将后续所有满 足带宽需求的子频带按照候选用户集中用户数目从小到大进行排序；

步骤三、按照步骤二的排序，顺序计算所有满足带宽需求的子频带中所有候选用户的干 噪比差值，并判断是否满足：

|SINR_i+1-SINR_j+1|>10dB

记录所有满足该条件的候选用户数；j为正整数，且j的初始值为0；

步骤四、计算各子频带满足步骤三中条件的用户数占该子频带总候选用户的比值A_l，并 按比值A_l从小到大进行排序；

步骤五、计算：

$\underset{l\in S}{\max }{A}_l$

作为新用户选择接入的子频带；

步骤六、将新接入用户信息与该子频带中其他候选用户信息采用叠加编码实现非正交编 码，并进行信号发送。

步骤三中所述按照步骤二的排序，顺序计算所有满足带宽需求的子频带中所有候选用户 的干噪比差值，并判断是否满足：

|SINR_i+1-SINR_j+1|>10dB

记录所有满足该条件的候选用户数的具体方法是：

步骤三一、将子频带i中的用户根据从小到大的顺序进行排列；

h_i表示用户i对应信道增益；σ_i表示用户i对应信道下的噪声功率；

步骤三二、根据公式：

${\Gamma }_j^i=\frac{{\beta }_{i}P{\left|h_i\right|}^2}{P{\left|h_i\right|}^2{\Sigma }_{k=i+1}^N{\beta }_k+{\sigma }_i^2}$

计算每个候选用户的信干噪比i为子频带顺序；j个用户的顺序；

式中：β_i表示第j个用户的功率分配因子；P每个子频带上分配的发射功率；

步骤三三、根据公式：

${\mathrm{\Delta \Gamma }}_{i,j}^l=(\frac{{\beta }_i{\left|h_i\right|}^2}{{\left|h_i\right|}^2{\Sigma }_{k=i+1}^N{\beta }_k+\frac{1}{P}{\sigma }_i^2}-\frac{{\beta }_j{\left|h_j\right|}^2}{{\left|h_j\right|}^2{\Sigma }_{k=j+1}^N{\beta }_k+\frac{1}{P}{\sigma }_j^2})$

计算信干噪比的差值

步骤三四、判断步骤三三获得的差值是否满足：

|SINR_i+1-SINR_j+1|>10dB

步骤三五、记录满足步骤三四的用户数。

步骤四中所述按比值A_l从小到大进行排序的过程中，

如果存在比值相等的情况，则优先选择候选用户数少的子频带；如果存在比值和候选用 户数均相等的情况，则将对应比值之间的先后顺序随机确定。

本发明提出的一种适用非正交多址系统(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)的新用 户接入方法，其主要优势：一、满足了非正交系统的新用户接入要求。二、新的接入方案充 分借鉴了正交方案中的优势，既考虑系统的整体信道容量最大化，又考虑了用户之间的公平 性。本发明能够满足未来5G新用户接入方案的需求。

附图说明

图1为基于用户SINR差的CDF曲线仿真示意图；

图2为NOMA系统下不同子频带用户分配仿真示意图；

图3为NOMA系统下新用户接入方法流程图；

图4为NOMA系统下新用户接入策略性能仿真示意图；

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图4说明本具体实施方式，本专利提出的非正交多址系统 下的新用户接入方法，主要分为以下步骤：

第一步：建立全频带候选用户集的信息资源池

整个频带B划分为S个子频带，每个子频带复用N个用户，为了新接入用户方便的接入 到满足应用准则的子频带，首先要建立整个频带上每个子频带的候选用户集的信息资源池。

所为候选用户集的信息资源池是每个子频带中的候选用户将自身的信道条件和所属的子 频带号放在一个存储器，按子频带的大小排序。资源池的建立节约了访问的时间。

第二步：选择子频带，满足带宽需求

新接入用户根据自身的业务需求，在资源池中选择满足自身需求的子频带初始值，之后 记录满足带宽大小的子频带序号，并将后续所有满足带宽需求的子频带按照候选用户集中用 户数目从小到大的顺序排序。

第三步：顺序计算信干噪比差值(SINR Difference)

为了确保NOMA系统中所选子频带中用户在接收端采用串行干扰消除(SIC)时尽量小的 误差传播(EP，Error Propagation)，需要选择新用户与候选用户之间的信干噪比之差满足图1 所示的曲线。

从图1所示的曲线可知：

|SINR_i+1-SINR_j+1|>10dB            (3)

满足(3)式就能保证较小的误差传播存在。

(1)、按信道条件将用户排序

将子频带i中的用户根据从小到大的顺序排列。

(2)、计算用户的信干噪比

其中第i个子频带中第j个用户的信干噪比计算式为：

${\Gamma }_j^i=\frac{{\beta }_{i}P{\left|h_i\right|}^2}{P{\left|h_i\right|}^2{\Sigma }_{k=i+1}^N{\beta }_k+{\sigma }_i^2}---\left(4\right)$

其中表示第i个子频带中第j个用户的信干噪比(SINR)。

(3)、计算SINR差值：

${\mathrm{\Delta \Gamma }}_{i,j}^l=(\frac{{\beta }_i{\left|h_i\right|}^2}{{\left|h_i\right|}^2{\Sigma }_{k=i+1}^N{\beta }_k+\frac{1}{P}{\sigma }_i^2}-\frac{{\beta }_j{\left|h_j\right|}^2}{{\left|h_j\right|}^2{\Sigma }_{k=j+1}^N{\beta }_k+\frac{1}{P}{\sigma }_j^2})---\left(5\right)$

(4)记录满足(3)式的用户数。

第四步、计算各子频带满足(3)式的用户数占各子频带总候选用户的比值A_l，按比值A_l从小到大的顺序排序。

第五步：选择

在比值相等的条件下，选择候选用户数少的子频带；如果比值和候选用户数均相等，就 随机在其中选择即可。

第六步：将新接入用户信息与其他候选用户信息采用叠加编码实现非正交编码。之后完 成信号的发送。

本发明提出算法的应用准则：

1、系统容量最大准则

$\underset{i\in S}{\max }{C}_{\mathrm{NOMA}}\left(\Gamma \right)---\left(1a\right)$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_j=1,{\beta }_j>0---\left(1b\right)$

$\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{W}_i=B,W_i>0---\left(1c\right)$

其中：C_NOMA(Γ)表示NOMA多址系统的信道容量，Γ表示信干噪比，S表示带宽B分配 的子频带总个数，β_j表示第j个用户的功率分配因子，N表示每个子频带上复用的用户个数。

2、公平性准则

考虑每个用户传输速率的公平性，

$\underset{i\in S}{\min }|R_{\mathrm{new}}-\frac{1}{N}{C}_{\mathrm{NOMA}}\left(\Gamma \right)|---\left(2a\right)$

$s.t.\underset{j=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_j=1,{\beta }_j>0---\left(2b\right)$

$\underset{i=1}{\overset{S}{\Sigma }}{W}_i=B,W_i>0---\left(2c\right)$

其中：

$R_i=\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{{\beta }_{i}P{\left|h_i\right|}^2}{P{\left|h_i\right|}^2{\Sigma }_{k=i+1}^N{\beta }_k+{\sigma }_i^2})$

其中：P表示每个子频带上分配的发射功率，|h_i|²用户i对应信道增益，表示用户i 对应信道下的噪声功率。

以下采用具体的仿真试验说明本发明的效果：

1、应用场景说明

由于在非正交多址系统下，新接入用户其信道条件的限制，资源分配是一个重点研究的 问题，要选择干扰少，且SINR相差大于EP产生范围的子频带上。图2给出了在不同的子频 带的用户接入情况。

2、非正交多址系统下新用户接入方法流程图

为了清晰的描述上述方法，给出方法的流程图，如图3所示。

3、方法性能仿真

根据本发明提出的方案，与传统的新用户随机接入方案比较，其仿真效果图如图4所示， 其中IWF(Iteration Water Filling)，FTPA(Fractional Transmit Power Allocation)和FPA(Fixed  Power Allocation)功率分配方案。

在相同的功率分配方案下，本发明的差异性选择接入的性能明显优于随机选择方案，其 性能大约好1.5dB。