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用戶動態(tài)分簇方法。

背景技術(shù)：

在移動通信系統(tǒng)中，多址接入技術(shù)是滿足多個用戶同時進行通信的必要手段和關(guān)鍵技術(shù)。縱觀歷史，每一代移動通信系統(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、帶寬擴展性強、抗多徑衰落、抗碼間干擾能力強等優(yōu)點，其數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸速率達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期內(nèi)的寬帶移動通信應(yīng)用需求。但隨著智能終端普及，應(yīng)用和移動新業(yè)務(wù)的需求持續(xù)增長，無線傳輸速率需求呈指數(shù)增長，無線通信的傳輸速率將難以滿足未來移動通信的應(yīng)用需求，頻譜資源也變得越來越緊張，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)中最有潛力的競爭者之一，它引入了功率域的應(yīng)用。noma技術(shù)在同一個子載波、同一個ofdm符號對應(yīng)的同一個時頻塊上，給多個用戶分配不同的功率因子并進行線性疊加，通過在接收端采用sic(串行干擾消除)接收機實現(xiàn)多用戶檢測，就能區(qū)分出不同的用戶，從而達到多用戶共享同一時頻資源塊的目的。由于系統(tǒng)在頻域和時域上仍然保持各子載波正交和每個ofdm符號前cp(循環(huán)前綴)，noma技術(shù)的基礎(chǔ)仍是成熟的ofdm技術(shù)，這也讓它的實現(xiàn)難度相對較小。sic技術(shù)的基本思想是采用逐級消除干擾策略，在接收信號中對用戶逐個進行判決，進行幅度恢復(fù)后，將該用戶信號產(chǎn)生的多址干擾從接收信號中減去，并對剩下的用戶再次進行判決，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)就是用戶信號功率大小?；驹诎l(fā)送端會對不同的用戶分配不同的信號功率，來獲取系統(tǒng)最大的性能增益，同時達到區(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)度過程中，就需要考慮子載波上的用戶分簇過程。

回顧經(jīng)典的用戶配對算法，目前已有的方案包括隨機用戶配對算法(randompairingalgorithm，rpa)、行列式用戶配對算法(determinantpairingalgorithm，dpa)和分組隨機配對調(diào)度(grouprandompairingschedule，grps)。其中，rpa算法是最簡單的算法，基站在候選用戶集中隨機選擇兩個用戶進行配對，在相同的子載波上采用疊加編碼將配對用戶信息編碼后進行發(fā)送，主要利用參量用戶約定信息速率(committedinformationrate，cir)來選擇用戶，其本質(zhì)是根據(jù)用戶業(yè)務(wù)所需的帶寬，每個子頻帶選擇適合大小的用戶。雖然rpa算法最為簡單，但是無法利用配對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用戶進行空分復(fù)用，但由于只參考用戶小尺度衰落的信息，配對的用戶可能同處于小區(qū)邊緣，這樣會對系統(tǒng)的總吞吐量造成很大的損失。grps算法首先根據(jù)用戶的長期平均信干噪比(sinr)將用戶分為2組，1組用戶為信號較強的用戶集合，另一組用戶為信號較弱的用戶集合，隨后調(diào)度機從這2組用戶中各隨機挑選1個用戶進行配對，隨機挑選沒有利用用戶的信道信息，也無法獲得更高的系統(tǒng)吞吐量。可見上述的三種算法都無法兼顧用戶公平性和系統(tǒng)性能這兩點，由此可見用戶分簇方案的重要性。不同的分簇方案會產(chǎn)生不同的效果，若采用了不合理的分簇方式，可能就無法展現(xiàn)noma的優(yōu)勢甚至讓系統(tǒng)性能變得不如從前；而若采用了合理的用戶分簇方式，就可能達到預(yù)期的效果。而理論上說，每個子載波上用戶信道狀況差異越大，其配對的效果也就越好。

在noma系統(tǒng)的配對算法中，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，但這個過程的復(fù)雜度太高、計算時間太長，不適合用于實際系統(tǒng)中，因此就需要針對優(yōu)化目標(biāo)進行合理的用戶分簇方案設(shè)計。

技術(shù)實現(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)問題，特別創(chuàng)新地提出了一種保證用戶公平性的noma用戶動態(tài)分簇方法。

為了實現(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行排序；

s1-2：從排序在前的用戶中隨機選取m個用戶，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，對步驟s1-2中選取出的m個主用戶，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)置一個吞吐量閾值cth；

s2-2：更新m＝m+1，設(shè)第m簇的第1個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簇中已有一個主用戶，在該主用戶的用戶候選集um中隨機選取用戶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：在剩余的簇中對還未分配的用戶進行窮舉搜索，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用戶都被分配在某一個或多個候選集中，確保了用戶被服務(wù)機會的公平性，這樣從機會和質(zhì)量兩方面保障了用戶公平性。

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

3、符合實際應(yīng)用需求。實際應(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)實際情況進行實時動態(tài)的更新，本發(fā)明同時考慮了這兩點，通過根據(jù)不同應(yīng)用場景設(shè)置不同的動態(tài)簇更新時間，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，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

附圖說明

本發(fā)明的上述和/或附加的方面和優(yōu)點從結(jié)合下面附圖對實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施方式流程圖。

具體實施方式

下面詳細描述本發(fā)明的實施例，所述實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。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能理解為對本發(fā)明的限制。

在本發(fā)明的描述中，需要理解的是，術(shù)語“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，需要說明的是，術(shù)語“安裝”、“相連”、“連接”應(yīng)做廣義理解，例如，可以是機械連接或電連接，也可以是兩個元件內(nèi)部的連通，可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，對于本領(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三維坐標(biāo)圖中，三個坐標(biāo)軸分別代表時間、頻率和功率，在同一個時頻資源塊上有多個用戶疊加，相互疊加的用戶擁有不同的功率，其中的時頻資源塊的分配配置完全和ofdm相同。

考慮一個mimo-noma下行鏈路通信場景，假設(shè)每個基站裝有m根天線，每個用戶裝有n根天線，場景中共有k個用戶，為了便于noma技術(shù)在mimo場景中的實施，本發(fā)明考慮將k個用戶分為m簇，假設(shè)每一簇所包含的用戶個數(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，αm,k代表第m簇中第k個用戶的功率因子，sm,k代表第m簇中第k個用戶所發(fā)送的信號。故接收端所接收到的第m簇中第k個用戶信號為

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

在接收端接收信號時，會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，在接收端采用檢測矩陣w幫助消除干擾，此時接收端接收到的信號可表示為：

當(dāng)滿足條件wi,k^hhi,kpm＝0，即

則可消除掉接收信號中的簇間干擾部分。

如圖2所示，為sic接收機的工作原理圖，從圖中可以看到，sic接收機采用逐級消除干擾策略，在接收信號中對用戶逐個進行判決，進行幅度恢復(fù)后，將該用戶信號產(chǎn)生的多址干擾從接收信號中減去，并對剩下的用戶再次進行判決，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為

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，且在接收端進行檢測時，將先檢測序號大的用戶。由此，可得出第m簇中的第k個用戶處檢測用戶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

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)明用戶動態(tài)分簇方法的一種具體實施方式流程圖，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行排序；

s1-2：從排序在前的用戶中隨機選取m個用戶，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，對步驟s1-2中選取出的m個主用戶，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)置一個吞吐量閾值cth；

s2-2：更新m＝m+1，設(shè)第m簇的第1個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簇中已有一個主用戶，在該主用戶的用戶候選集um中隨機選取用戶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：在剩余的簇中對還未分配的用戶進行窮舉搜索，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用戶動態(tài)分簇方法，首先對每個用戶的信道狀態(tài)將它們的信道模值按照降序進行排序，在排序為前的用戶中隨機選取m個用戶分別作為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)相差大時有助于接收端識別的特點，將每個與主用戶間的信道模值間隔達到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到所設(shè)門限值cth時，分配用戶時從主用戶的用戶候選集中選擇同簇用戶，在對性能影響較小的情況下大大縮減了算法計算復(fù)雜度；當(dāng)已分配用戶簇的吞吐量低于cth時，采用窮舉搜索的方法，讓系統(tǒng)性能更佳。本發(fā)明的noma用戶動態(tài)分簇方法，在保障用戶公平性的前提下，進一步提高了系統(tǒng)性能并降低了算法運算復(fù)雜度。

在本說明書的描述中，參考術(shù)語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結(jié)合該實施例或示例描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點包含于本發(fā)明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術(shù)語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結(jié)構(gòu)、材料或者特點可以在任何的一個或多個實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這些實施例進行多種變化、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。