一种基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方法与流程

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种波束空间下用户功率分配技术。

背景技术：

随着移动设备的普遍使用，以及无线数据业务的迅速增长，人们对无线网络终端接入量和通信速率的需求也在不断增高；在5g通信中，毫米波大规模mimo波束赋形技术在提高频谱利用率、控制用户间干扰等方面体现出了巨大的优势。

将大规模mimo波束赋形技术与波束空间概念相结合后，在发射端采用数字预编码和波束选择算法结合的模数混合结构，可以明显减少射频链路数量，达到降低硬件复杂度和功耗的目的；利用离散透镜阵列(discretelensarray，dla)，将物理空间mimo信道转换至波束空间，以波束空间mimo(beamspacemimo，b-mimo)代替物理空间mimo；此时，每条射频链路不再对应于一根发射端天线，而是对应于某个方向上的一条波束；以下行链路为例，不同的单天线移动用户通过选择特定方向上的波束来满足自身的通信需求；因此，利用毫米波信道在波束空间下的稀疏特性，发射端可以通过波束选择算法选择对用户作用较大的波束进行通信，达到减少射频链路数量的目的。

b-mimo实用化过程中还存在一个关键的问题：系统的用户数量不能超过射频链路的数量；这是因为发射端射频链路提供的自由度必须大于或者等于用户所需要的自由度，否则用户间干扰将会难以抑制，导致频谱效率明显降低；但在实际情况中，用户终端数目是往往随机的，经常会大于射频链路的数量，尤其是在5gmmtc业务场景下。

技术实现要素：

本发明的目的是为了解决用户终端数目经常会大于射频链路数量，从而导致用户间干扰难以抑制，并导致频谱效率明显降低的问题，提出了一种基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方法。

本发明所述的一种基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方法，该分配方法包括以下步骤：

步骤一、根据毫米波信道模型，随机生成基站与多个单天线移动用户之间的物理空间下行链路原始信道矩阵；

步骤二、根据离散透镜阵列特性，将步骤一随机生成的原始信道矩阵转换到波束空间，得到波束空间信道矩阵；

步骤三、根据步骤二得到的波束空间信道矩阵，采用最大幅值波束选择算法进行波束选择，确定出基站发射端即将使用的波束集合，并由波束集合得到发射机和接收机之间的实际信道矩阵；

步骤四、根据步骤三中波束选择的结果，采用破零预编码算法，抑制不同波束间的干扰；并对选择相同波束的两个用户进行配对，形成用户簇，在同一个用户簇的用户间引入非正交多址接入技术，用于使得相同波束内的多个用户共享时频资源；

步骤五、根据波束空间下的信道信息，对下行链路的多个用户进行簇间和簇内分布式功率分配，得出功率分配结果。

本发明的有益效果是基于波束空间模型中波束选择算法和非正交多址接入(noma)技术降低射频链路数量、增加用户接入数量的优势，本发明提出一种基于非正交多址接入(noma)技术的波束空间下分布式功率分配方案，进一步提升系统频谱效率；本发明所提出的基于非正交多址接入(noma)技术的波束空间下分布式功率分配方案是在波束选择算法的基础上，通过引入非正交多址接入(noma)技术解决了现有模型接入用户数无法大于射频链路数的问题；本发明在引入非正交多址接入(noma)技术后采用了一种分布式的功率分配方案，它在一定程度上能够保证用户之间的公平性，明显提升系统频谱效率。

附图说明

图1为具体实施方式一所述的一种基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方法流程图；

图2为具体实施方式一中在信噪比为10db，每个用户选择一个波束情况下，未引入非正交多址接入技术的平均功率分配方案与基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案的频谱效率，随用户数量变化的曲线对比示意图；

图3为具体实施方式一中在系统用户接入量为30，每个用户选择一个波束情况下，未引入非正交多址接入技术的平均功率分配方案与基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案的频谱效率，随发射信噪比变化的曲线对比示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式所述的一种基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方法，该分配方法包括以下步骤：

步骤一、根据毫米波信道模型，随机生成基站与多个单天线移动用户之间的物理空间下行链路原始信道矩阵；

步骤二、根据离散透镜阵列特性，将步骤一随机生成的原始信道矩阵转换到波束空间，得到波束空间信道矩阵；

步骤三、根据步骤二得到的波束空间信道矩阵，采用最大幅值波束选择算法进行波束选择，确定出基站发射端即将使用的波束集合，并由波束集合得到发射机和接收机之间的实际信道矩阵；

步骤四、根据步骤三中波束选择的结果，采用破零预编码算法，抑制不同波束间的干扰；并对选择相同波束的两个用户进行配对，形成用户簇，在同一个用户簇的用户间引入非正交多址接入技术，用于使得相同波束内的多个用户共享时频资源；

步骤五、根据波束空间下的信道信息，对下行链路的多个用户进行簇间和簇内分布式功率分配，得出功率分配结果。

在本实施方式中，步骤一中根据毫米波信道模型，随机生成基站与多个单天线移动用户之间的物理空间下行链路原始信道矩阵的具体方法为：

步骤一一、确定接收信号矢量；具体的：mimo系统模型的发射端天线数为n，n为正整数；接收端共有k个单天线用户，k为正整数；接收信号矢量y＝[y1,y2,…,yk]^t表示为

y＝h^hgs+n(1)

其中，s＝[s1,s2,…,sk]^t是k×1维的发射信号向量，并且满足e(ss^h)＝ik，s^h表示发射信号向量s＝[s1,s2,…,sk]^t的共轭转置，e()为均值符合，ik表示k维单位矩阵；预编码矩阵g＝[g1,g2,…,gk]的维度为n×k；n表示噪声，即均值为零方差为1的循环对称高斯噪声；h＝[h1,h2,…,hk]是维度为n×k的物理信道矩阵，其中每一列hk表示基站端与移动用户k之间的信道向量，维度为n×1；

步骤一二、根据毫米波信道模型，确定原始信道矩阵；具体的：根据毫米波信道模型可知：原始信道矩阵包括基站端和用户k；

基站端与用户k之间的信道向量表示为：

其中，β为路径损耗，θ为路径角度，θk,i表示第k个用户不同路径对应的复路径角度，θk,0表示第k个用户不同路径对应的视距路径角度，βk,i表示第k个用户不同路径对应的复路径损耗，βk,0表示第k个用户不同路径对应的视距路径损耗，多径分量的幅度|βk,i|比视距传输路径(los)成分|βk,0|小5到10db；np表示多径的数量，an是n×1维的控制向量，表示为：

an＝[e^-j2πθi]i∈γ(n)

其中，γ(n)＝{l-(n-1)/2:l＝0,1,...,n-1}是一个以0为中心的对称集合，l表示该对称集合中各元素而设置的一个变量；

路径角度θ表示为：

其中，λ表示信号波长，d表示天线间距；d＝λ/2为天线孔径域样本间距，物理空间中的方向角度φ∈[-π/2,π/2]，则有θ∈[-1/2,1/2]。

在本实施方式中，步骤二中得到波束空间信道矩阵的具体方法为：将物理空间信道矩阵变换到波束空间下，得到矩阵u的具体表达式；根据离散透镜阵列的特性可知，矩阵u的列向量对应了n个固定空间频率/角度的控制向量，并且各向量间具有固定的间距因此矩阵u可表示为

将物理信道变换到波束空间下，得到波束空间下的mimo系统表达式为

其中hb为波束空间下的信道矩阵，且满足hb＝u^hh；gb为波束空间下的预编码矩阵且满足gb＝ug；p＝diag{p}是一个对角阵，其对角线元素表示的是k个用户的发射功率，满足即发射功率总和不能超过基站端最大的发射功率。

在本实施方式中，步骤三中采用最大幅值波束选择算法进行波束选择的具体方法为：

选择其中幅值较大的若干个波束，为了从数学上描述该算法，定义集合

其中，为hb的第i行k列元素；m^(k)是针对于第k个用户的选择集合；ξ^(k)∈[0,1]为选择门限，通过调整该值可以选择不同数量的主要波束，为了使得每个用户都选择到最少的波束，ξ^(k)对于每个用户必须是独立取值的。

在本实施方式中，根据波束选择的结果得到实际的波束空间信道矩阵，由mms波束选择算法可知，同一波束内可能有单个用户，也可能为多个用户。如果波束中为单个用户，那么其在波束空间下的向量即表示实际波束空间信道矩阵的一个向量；如果波束中有若干个用户，那么我们需要通过其他方法来确定这条波束在实际波束空间信道矩阵中的形式。

步骤三中由波束集合得到发射机和接收机之间的实际信道矩阵的具体方法为：

如果同一波束内有多个用户，多个用户间采用noma技术，则该波束在实际波束信道矩阵中对应的向量是根据奇异值分解的方法得到的，具体过程为：

其中，hm为第m个波束中所有用户信道向量组成的的信道矩阵，维度为nrf×|sm|，|sm|为该波束中的用户数量；hm由|sm|个列向量构成，hi,m为第m个波束内第i个用户的信道向量；对进行奇异值分解，可得：

其中，um为|sm|×|sm|维的左奇异值分解矩阵，∑m为对角阵，vm为nrf×nrf维的右奇异值分解矩阵；

第m个波束的等效信道向量可以由下式得到：

其中，为最大奇异值所对应的左奇异分解矩阵的列向量，则表示信道矩阵中的一个波束向量；

根据破零预编码原理可知，预编码矩阵可表示为：

其中，表示预编码矩阵的第n个列向量，表示经过波束选择后的信道矩阵，则表示的共轭转置。

在本实施方式中，步骤五中对下行链路的多个用户进行簇间和簇内分布式功率分配的具体过程为：

步骤五一、以用户簇为单位进行用户簇间功率分配；

步骤五二、以用户为单位进行用户簇内功率分配。

在本实施方式中，所述步骤五一中以用户簇为单位进行用户簇间功率分配的具体标准为：

单用户簇的总功率为p/k，双用户簇的总功率为(2p)/k；其中，k为下行链路单天线用户总数，p为基站发射总功率。

在本实施方式中，所述步骤五二中以用户为单位进行用户簇内功率分配的具体标准为：用户簇的总功率为p/k；双用户簇使用分数阶功率分配方案，此时第i个双用户簇的发射功率可分别表示为：

其中，α^ftpa∈[0,1]为功率分配因子，gi(j)为等效信道增益，ni(j)为噪声和干扰。

在本实施方式中，根据步骤五的功率分配结果，采用频谱效率性能对比的方法进行验证，对比采用平均功率分配方案的系统性能，验证采用基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案的有益效果；本实施例制备的具体过程为：

仿真的条件为：毫米波信道模型(s-v信道模型)，噪声为零均值、方差为1的循环对称高斯噪声，基站发射端天线数量为81，用户接收端均配置单接收天线，同一波束内用户数最多为两个；毫米波信道模型只考虑时不变信道，其多径条数为2，莱斯因子设置为5，这些参数与真实信道情况比较吻合；

在以上条件基础上，通过仿真验证不同情况下基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案的系统性能。

从图2可以看出：在发射信噪比为10db，每个用户选择一个波束的情况下，当用户数增大到30时，采用未引入非正交多址接入技术的平均功率分配方案时，由于用户数量的增加，系统频谱效率明显降低；而采用基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案时，频谱效率会随着用户数量的增加而增加，并始终前者。

由图2可见，在相同信噪比条件下，基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案可以提升大规模mimo系统的用户接入量，同时提高系统的频谱效率。

从图3可以看出，在系统用户接入量为30，每个用户选择一个波束情况下，未引入非正交多址接入技术的平均功率分配方案，与基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案的频谱效率均会随着发射信噪比的增加而提升，并且后者性能始终优于前者。

由图3可进一步验证，相同系统用户接入量情况下，基于非正交多址接入技术的波束空间下分布式功率分配方案可以提高系统的频谱效率。

本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，本领域技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。