CN107949061B - 一种基于非正交多址系统的多用户分组方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，包括：将用户根据信道增益排序并分组，对分组用户进行最优化组合，为最优化组合的用户分配子信道；本发明通过在各子信道上对小区内的各用户进行预分组，将小区内的用户有效地分配到各子信道上，在吞吐量局部最优的子信道功率分配方法基础上，进一步提高了系统的吞吐量。

Description

一种基于非正交多址系统的多用户分组方法

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤其涉及一种基于非正交多址系统的多用户分组方法。

技术背景

随着智慧城市的建设和物联网的快速发展，移动终端数量会出现井喷式的增加，促使了新一代的无线通信系统去满足社会快速的发展和人们日益增长的物质文化的需求。根据相关数据的统计，自2010年以来，无线通信流量每年以成倍的速度快速增加，这就意味着在几年后，无线通信流量将是2010年的上千倍，连接的移动终端也会成千上万倍的剧增。新一代移动通信技术—第五代移动通信技术将渗透到人们工作中的各行各业和生活中的方方面面，例如：远程医疗、远程教育、智慧交通、智能农业、移动办公、移动支付、智能家居、实时定位等。这些生活工作学习的需求，都对第五代移动通信技术提出了更高的要求，与第四代移动通信技术相比，除了在用户网络体验上进一步提升外，还将在连接数密度、能耗、成本、可靠性等方面进一步提升来满足未来万物互联的应用需求。

通信技术发展到今天，频谱资源越来越紧张，高频段资源开发不足，为了满足未来高速率的传输要求和万物互联的应用需求，进一步的提升频谱资源利用效率，科学家们正努力地研究新的技术。在这种背景下，日本的科学家们提出了非正交多址技术。

非正交多址接入技术是一种融合了时域、频域和功率域的新技术。非正交多址技术的基本原理是发送端将多个用户的信号复用在同一时频资源块下，主动引入多址干扰，接收端通过串行或并行干扰消除接收机实现对多用户信号进行正确地解调，相比于正交多址，该技术有效地提升了系统的吞吐量和频谱效率。

在非正交多址系统中，发送端基于OFDM技术将总的可用资源划分为多个时域和频域正交的子信道，在每个子信道上，多个用户信号通过功率复用的方式叠加在一起，子信道内的功率分配方法只能实现局部的最优吞吐量性能，为了更好地提高系统吞吐量，需要采用合理的多用户分组方法，在各子信道上对小区内的各用户进行分组，合理的用户分组方法可以有效地提高系统的吞吐量。如何将小区内的用户组合在一起，并有效地分配到各子信道上，是本发明所要解决的问题。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，包括：

将用户根据信道增益排序并分组；

对分组用户进行最优化组合；

为最优化组合的用户分配子信道。

优选的，所述将用户根据信道增益排序并分组包括：

将用户按照信道增益的大小降序排列；

将用户分为N_max组，其中N_max为当前子信道可以复用的最大用户数，相邻用户间前一组的用户数量总是与后一组用户数量相等比后一组用户数量或者少一个。

优选的，所述对分组用户进行分组的最优化包括：

第一次分配时将第一组的第一个用户与第二组的第一个用户组合成最优组合，之后将第一组的用户按照排列顺序与第二组的候选用户进行组合，计算组合的加权吞吐量积，将加权吞吐量积最大的用户组作为前两组的最优组合；

将前两组的最优组合与第三组的候选用户进行组合，并将加权吞吐量积最大的用户组作为前三组的最优组合，以此类推，直到所有的组都组合完，形成一个最优的组合。

优选的，所述候选用户为该组中未分配用户中信道增益最大的用户，当没有未分配用户时，候选用户为分配次数相同的用户中信道增益最大的用户的集合。

优选的，所述加权吞吐量积的计算为：

其中，

表示在分组中所选的第g组的用户吞吐量，

表示在分组中所选的第g组的用户已分配的总吞吐量，I表示用户组数。

优选的，所述吞吐量计算为：

其中，R_n表示第n个用户的吞吐量，I_n表示s子信道上第n个用户端的小区间干扰，n_n表示s子信道上第n个用户端的加性高斯白噪声；p_n表示第n个用户信号分配的初始功率，p_k表示第k个用户信号分配的初始功率，其中k∈[1,n-1]；w表示子信道的带宽，

表示信号与干扰和噪声的比值，h_n表示第n个用户端的信道增益系数，h_s,n表示在s子信道个信道上的第n个用户的信道增益系数。

优选地，所述第n个用户信号分配的初始功率计算为：

其中，N为当前信道的复用次数，h_k表示第k个用户端的信道增益系数，p为初始功率分配的总功率，其中k∈[1,N]，a_ftpc表示分数阶功率分配算法采用的功率衰减因子。

优选的，所述为最优化分组的用户确定子信道包括：为形成的最优组合分配一个子信道，并更新最优组合中用户的分配次数，重新进行分组用户的最优组合，直到子信道全部分配完。

与现有技术相比，本发明通过在各子信道上对小区内的各用户进行分组，将小区内的用户有效地分配到各子信道上，在吞吐量局部最优的子信道功率分配方法基础上，进一步提高了系统的吞吐量。

附图说明

图1为一种基于非正交多址系统的多用户分组方法流程图；

图2为三种分组算法在小区总吞吐量上的性能比较图；

图3为三种分组算法在小区边缘用户吞吐量上的性能比较图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图，对本发明做进一步详细说明。

本发明一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，如图1所示，具体包括：

将用户根据信道增益排序并分组。

对分组用户进行最优化组合；

为最优化组合的用户分配子信道。

优选的，所述将用户根据信道增益排序并分组包括：

将用户按照信道增益的大小降序排列，例如将M个用户信号按照信道增益的大小进行排序，假设用户在各子信道的排序顺序不变，按照降序排列为：U＝{user₁,user₂,...,user_M}，其中U表示候选用户集合，m表示用户序号，其中1≤m≤M表示用户序号。

将用户分为N_max组，其中N_max为当前子信道能够复用的最大用户数，相邻用户间前一组的用户数量总是与后一组用户数量相等或者少一个，例如：

把M个用户按照已排好的顺序分成N_max组，使相邻两组中前一组用户数与后一组用户数相等或者比后一组用户数少一个。若M是N_max整数倍，则每组的用户数为

分组情况为：

若M不是N_max的整数倍，前N_max-(MmodN_max)组的用户数为

后MmodN_max组的用户数为

其中[·]表示为取不大于·的最大整数，分组情况为：

优选的，所述对分组用户进行分组的最优化包括：

第一次分配时将第一组的第一个用户与第二组的第一个用户组合成最优组合，之后将第一组的用户按照排列顺序与第二组的候选用户进行组合，计算组合的加权吞吐量积，将加权吞吐量积最大的用户组作为前两组的最优组合，具体步骤包括：

定义Ξ＝{ξ₁,ξ₂,...ξ_M}表示每个用户被分配的次数，未被分配前ξ_m＝0，用户user_m每分配一次，该用户的分配次数加1，即ξ_m＝ξ_m+1，其中m＝1,2,...M；

为了减少选择的用户数，在选择每组用户的时候，并不是把所有的用户都拿来考虑，而是考虑分配次数相同的用户中信道增益最大的用户；对于第一组用户的选择，按照信道增益的大小从大到小依次选择，每一次只选择一个用户，当第一组所有用户全部选择完后再从第一个用户重复选择。对于其他组用户的选择，则从该组的候选用户集中选择用户，候选用户集由该组分配次数相同的用户中信道增益最大的用户组成，如果该组有未分配即ξ_m＝0的用户，则只将未分配的用户中信道增益最大的用户作为候选集中唯一的用户。

第一次分配时，首先将第一组group1的第一个用户与第二组group2第一个用户组成最优组合，第二次及第二次以后再分配时，第二组则从候选用户集中选择用户分别进行组合，若第二组的候选用户集中只有一个用户，则只产生一种组合，将该组合作为前两组的最优组合。若有多个用户，则产生多种组合，然后进行以下操作，其中组合情况为：

其中，Ψ²表示分配到第二组时的组合情况，可以用Ψ^N表示N个用户的组合情况，可以用Ψ^N*表示前N组用户形成的N个用户的最优组合，其中N＝{2,3,…,N_max}。

将前两组的最优组合与第三组的候选用户进行组合，并将加权吞吐量积最大的用户组作为前三组的最优组合，以此类推，直到所有的组都组合完，形成一个最优的组合，具体包括：

选择第三组时，保持前两组最优用户组合不变，再从第三组的候选用户集中，依次将用户加入两个用户的最优组合Ψ^2*，产生三个用户的组合情况Ψ³。若第三组候选用户集只有一个用户，则产生一种组合，将该组合最为前三组用户形成的三个用户的最优组合Ψ^3*，若有多个用户，产生多种组合，分别计算每种组合的加权吞吐量积

将

最大的组合最为前三组的最优组合，并更新已复用的用户数N＝N+1。按照相同的过程依次加入后面几组，直到第N_max组，确定最终的最优组合

优选的，所述候选用户为该组中未分配用户中信道增益最大的用户，当没有未分配用户时，候选用户为分配次数相同的用户中信道增益最大的用户的集合。

优选的，所述加权吞吐量积的计算为：

其中，

表示在分组中所选的第g组的用户吞吐量，

表示在分组中所选的第g组的用户已分配的总吞吐量，I表示用户组数。例如，当I＝2时有：

其中，R_m1表示第一组group1所选用户的吞吐量，R_m2表示第二组group2所选用户的吞吐量，

表示第一组group1已分配的总吞吐量，T_m2表示第二组group2已分配的总吞吐量

优选的，所述吞吐量计算为：

其中，R_n表示第n个用户的吞吐量，I_n和n_n分别表示s子信道上第n个用户端的小区间干扰和加性高斯白噪声；p_n表示第n个用户信号分配的初始功率，p_k表示第k个用户分配的初始功率，其中k∈[1,n-1]；w表示子信道的带宽，

表示信号与干扰和噪声的比值，h_n表示第n个用户端的信道增益系数，h_s,n表示在s子信道个信道上的第n个用户的信道增益系数。

优选地，所述第n个用户信号分配的初始功率的计算包括：

其中，N为信道的复用用户数，I_n和n_n分别表示s子信道上第n个用户端的小区间干扰和加性高斯白噪声，h_k表示第k个用户端的信道增益系数，其中k∈[1,N]，p为初始功率分配的总功率，a_ftpc表示分数阶功率分配算法采用的功率衰减因子，优选的，所述为最优化分组的用户确定子信道包括：为形成的最优组合分配一个子信道，并更新最优组合中用户的分配次数和每个分组已分配的吞吐量，重新进行分组用户的最优组合，直到子信道全部分配完，具体包括：将确定的N_max个用户的最优组合

分配给第s个子信道，第一次分配时s＝1。第s个子信道复用的用户数为N_s＝N_max，更新这N_max个用户的分配次数ξ_m＝ξ_m+1，已分配的吞吐量T_m＝T_m+R_m和子信道序号s＝s+1，其中未分配时ξ_m＝0，T_m＝0。

综上所述，根据本发明的上述实施例，本发明一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，与现有的技术相比，如图2和图3所示，本发明多用户分组的小区总吞吐量和小区边缘用户吞吐量比现有信道增益间隔分组有一定程度提升，特别与现有随机用户分组相比，有较大程度的提升。

本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，其特征在于，包括：

将用户根据信道增益排序并预分组，即：

将用户按照信道增益的大小降序排列；

将用户分为N_max组，其中N_max为当前子信道能够复用的最大用户数，相邻用户间前一组的用户数量总是与后一组用户数量相等或者比后一组用户数量少一个；

对预分组用户进行最优化组合，即：

第一次分配时将第一组的第一个用户与第二组的第一个用户组合成最优组合，之后将第一组的用户按照排列顺序与第二组的候选用户进行组合，计算组合的加权吞吐量积，将加权吞吐量积最大的用户组作为前两组的最优组合；

将前两组的最优组合与第三组的候选用户进行组合，并将加权吞吐量积最大的用户组作为前三组的最优组合，以此类推，直到所有的组都组合完，形成一个最优的组合，加权吞吐量积

的计算为：

其中，

表示在分组中所选的第g组的用户吞吐量，

表示在分组中所选的第g组的用户已分配的吞吐量，I表示用户组数；

所述候选用户为该组中未分配用户中信道增益最大的用户，当没有未分配用户时，候选用户为分配次数相同的用户中信道增益最大的用户的集合；

为最优化组合的用户分配子信道，即：

为形成的最优组合分配一个子信道，并更新最优组合中用户的分配次数，重新进行分组用户的最优组合，直到子信道全部分配完。

2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，其特征在于，所述吞吐量的计算包括：

其中，R_n表示第n个用户的吞吐量，I_n表示s子信道上第n个用户端的小区间干扰，n_n表示s子信道上第n个用户端的加性高斯白噪声；p_n表示第n个用户信号分配的初始功率，p_k表示第k个用户信号分配的初始功率，其中k∈[1,n-1]；w表示子信道的带宽，

表示信号与干扰和噪声的比值，h_n表示第n个用户端的信道增益系数，h_s,n表示在s子信道个信道上的第n个用户的信道增益系数。

3.根据权利要求2所述的一种基于非正交多址系统的多用户分组方法，其特征在于，第n个用户信号分配的初始功率的计算包括：

其中，N为信道的复用用户数，h_k表示第k个用户端的信道增益系数，I_k和n_k分别表示s子信道上第k个用户端的小区间干扰和加性高斯白噪声，其中k∈[1,N]，I_n表示s子信道上第n个用户端的小区间干扰，n_n表示s子信道上第n个用户端的加性高斯白噪声，p为初始功率分配的总功率，a_ftpc表示分数阶功率分配算法采用的功率衰减因子。

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