一種靈活速率分割多址接入方法
2024-04-13 08:24:05 1
1.本發明涉及無線通信技術領域，尤其是一種靈活速率分割多址接入方法。
背景技術：
2.隨著數據傳輸量的不斷增加，傳統的正交多址接入(orthogonal multiple access,oma)方法逐漸不能滿足未來通信系統的需求，人們提出了各種新型多址接入方案。在多天線系統中，最常用的是空分多址接入(space division multiple access,sdma)，但在用戶數多於傳輸天線數的過載系統中，由於存在嚴重的幹擾，sdma的性能會大幅下降。非正交多址接入(non-orthogonal multiple access,noma)是另一個新型多址接入候選方案，noma可以允許多個用戶佔用同一個正交的時頻資源塊，因此可以比傳統的oma容納更多的用戶，但在多天線系統中，noma可能會導致空間維度資源的無效利用，並且會導致極高的複雜度。
3.速率分割多址接入(rate-splitting multiple access,rsma)成為一項廣受關注的多址接入新方案，在下行系統的發射端，所有用戶的信號被分割和重組為一個公共數據流和若干個私有數據流，在接收端，所有用戶先解碼公共數據流，接著，用戶再通過串行幹擾消除(successive interference cancellation,sic)解出相應的私有數據流，最後再通過重組公共數據流和私有數據流得到各用戶信號。通過對用戶信號的分割重組，rsma可以較為靈活地調整用戶間幹擾，從而獲得比noma和sdma更高的頻譜效率和自由度。此外，rsma還能夠同時支持大量的有不同服務質量需求的用戶，並且針對不同的網絡承載和不完美的信道信息的魯棒性也更強。
4.但在當前關於rsma的方案研究中，有兩個普遍假設：一個是假設所有用戶都採用速率分割，此時，所有用戶都必須解碼公共數據流，公共數據流的數據速率就會受限於信道質量最差的用戶，rsma的優勢無法完全體現；第二個假設是包長是無限的，由於當前的rsma方案研究大多採用香農容量公式，而香農容量公式是基於無限包長的假設的，這與現實系統相差較多。這兩條假設導致當前關於rsma的方案不能靈活的選擇用戶做速率分割，且方案不貼近實際，性能較差。
技術實現要素：
5.本發明所要解決的技術問題在於，提供一種靈活速率分割多址接入方法，能夠靈活的選擇部分用戶採用速率分割，有效提升系統整體的有效吞吐量。
6.為解決上述技術問題，本發明提供一種靈活速率分割多址接入方法，包括如下步驟：
7.(1)根據用戶選擇方案，依次處理所有用戶的目標數據流：若用戶採用速率分割，則跳轉執行步驟(2)，若用戶不採用速率分割，則跳轉執行步驟(3)。對所有用戶執行完後跳轉執行步驟(4)。
8.(2)將該用戶的目標數據流分割為公共部分和私有部分，私有部分也即該用戶的
私有數據流。跳轉執行步驟(1)。
9.(3)該用戶無公共數據流部分，目標數據流即私有數據流。跳轉執行步驟(1)。
10.(4)將所有採用速率分割的用戶的公共部分合併為一條公共數據流。
11.(5)對用戶信號進行波束賦形：將公共數據流和所有用戶的私有數據流分別乘上波束成形向量後，將所有信號疊加由基站發送。
12.(6)依次對所有用戶執行解碼：若用戶採用速率分割，則跳轉執行步驟(7)；若用戶不採用速率分割，則跳轉執行步驟(8)。直至所有用戶解碼完成。
13.(7)該用戶首先將所有私有數據流當作幹擾，從接收信號中解碼公共數據流，解出後從中分離出該用戶的公共部分；接著從接收信號中減去公共數據流對應的部分，根據減去後的信號解碼該用戶的私有部分；將解碼得到的該用戶的公共部分和私有部分重組，得到該用戶的目標數據流。跳轉執行步驟(6)。
14.(8)該用戶將所有其他數據流作為幹擾，直接從接收信號中解碼私有數據流，也即該用戶的目標數據流。跳轉執行步驟(6)。
15.優選的，步驟(4)中，公共數據流的數據傳輸速率等於所有採用速率分割的用戶的公共部分數據傳輸速率之和。
16.優選的，步驟(1)中，優化用戶選擇方案的具體操作如下：
17.(1-1)隨機生成用戶選擇方案，並計算該用戶選擇方案所對應的系統有效吞吐量。
18.(1-2)隨機選擇一個用戶，並改變其用戶選擇方案，即：若該用戶原本採用速率分割，則改變後該用戶不採用速率分割；若該用戶原本不採用速率分割，則改變後該用戶採用速率分割。
19.(1-3)計算改變用戶選擇方案後的系統有效吞吐量。
20.(1-4)判斷此次改變用戶選擇方案後的系統有效吞吐量是否大於此次改變用戶選擇方案前的系統有效吞吐量。若是，則執行步驟(1-5)；若否，則執行步驟(1-6)。
21.(1-5)批准此次步驟(1-2)中的用戶選擇方案的改變。跳轉執行步驟(1-7)。
22.(1-6)不批准此次步驟(1-2)中的用戶選擇方案的改變，將用戶選擇方案回退到此次改變之前的方案。
23.(1-7)判斷是否改變任意一個用戶的指示變量都無法提高系統的有效吞吐量。若是，則執行(1-8)；若否，則跳轉執行步驟(1-2)。
24.(1-8)輸出該用戶選擇方案。
25.優選的，步驟(1-1)和(1-3)中，計算系統有效吞吐量時考慮系統為有限包長情況，系統有效吞吐量應由包長大小、用戶信道係數、數據傳輸速率、用戶選擇方案、波束成形向量所決定。
26.本發明的有益效果為：本發明提出的速率分割多址接入方法，能夠靈活的選擇部分用戶實行速率分割，避免了強制所有用戶實行速率分割所導致的速率受限於最差用戶信道的問題，能夠提升系統的有效吞吐量；本發明提出的速率分割多址接入方法，通過考慮較為貼近實際的有限包長的情況，能夠提升系統的有效吞吐量。
附圖說明
27.圖1為本發明發射端信號流程示意圖。
28.圖2為本發明接收端信號流程示意圖。
29.圖3為本發明的具體實施方法中優化用戶選擇方案、數據傳輸速率和波束成形向量的流程示意圖。
30.圖4為不同用戶數情況下，本發明所提出的靈活rsma與傳統rsma、sdma和noma的系統有效吞吐量對比示意圖。
31.圖5為不同基站天線數情況下，本發明所提出的靈活rsma與傳統rsma、sdma和noma的系統有效吞吐量對比示意圖。
具體實施方式
32.下面結合k用戶的系統具體實例，對本發明所提出的一種靈活速率分割多址接入方法進行具體闡釋。如圖3所示，包括如下步驟：
33.(1)在下行系統中，基站端設有n
t
根天線，k個用戶均設單根天線，用戶集合記為к＝{1,
…
,k}。
34.(2)優化波束成形向量、數據傳輸速率和用戶選擇方案。用戶選擇方案為a：＝{ak|k∈κ}，其中，ak∈{0，1}為用戶k的指示變量，ak＝0表示用戶k不採用速率分割，ak＝1表示用戶k採用速率分割。
35.(3)根據用戶選擇方案，依次對用戶k＝1，...，k執行如下操作：若用戶k採用速率分割，則跳轉執行步驟(4)，若用戶k不採用速率分割，則跳轉執行步驟(5)。對所有用戶執行完後跳轉執行步驟(6)。
36.(4)將用戶k的目標數據流sk分割為公共部分s
k，c
和私有部分s
k，p
，根據優化出的數據傳輸速率方案，公共部分的數據傳輸速率為r
k，c
，私有部分(也即用戶k的私有數據流)的數據傳輸速率為r
k，p
。跳轉執行步驟(3)。
37.(5)用戶k無公共數據流部分，目標數據流即私有數據流s
k，p
，根據優化出的數據傳輸速率方案，數據傳輸速率為r
k，p
。跳轉執行步驟(3)。
38.(6)將所有採用速率分割的用戶的公共數據部分合併為一條公共數據流sc。
39.(7)根據優化出的波束成形向量對信號做波束賦形：基站端發射信號x＝wcsc+∑
k∈κwk，psk，p
，其中，wc為公共數據流的波束成形向量，w
k，p
為各個用戶的私有數據流的波束成形向量。
40.(8)依次對用戶k＝1，...，k執行解碼：用戶k的接收信號為其中，hk為用戶k的信道向量，zk為用戶k的噪聲，是均值為0、方差為的加性高斯白噪聲。若用戶k採用速率分割，則跳轉執行步驟(9)；若用戶k不採用速率分割，則跳轉執行步驟(10)。直至所有用戶解碼完成。
41.(9)用戶k首先將所有私有數據流當作幹擾，從yk中解碼公共數據流sc，將解碼結果記為解出後從中分離出用戶k的公共部分接著從yk中減去公共數據流對應的部分，得到根據解碼用戶k的私有部分將解碼得到的公共部分和私有部分重組，得到用戶k的目標數據流跳轉執行步驟(8)。
42.(10)用戶k將所有其他數據流作為幹擾，直接從yk中解碼私有數據流也即用戶k的目標數據流跳轉執行步驟(8)。
43.步驟(2)中，優化波束成形向量、數據傳輸速率和用戶選擇方案的具體操作如下：
44.(2-1)參數初始化：初始化最優的系統有效吞吐量t
*
：＝0；初始化原有的系統有效吞吐量t
(old)
：＝0；初始化迭代序號t：＝0。
45.(2-2)隨機生成用戶選擇方案上標(0)表示迭代次數。
46.(2-3)更新用戶選擇方案a
(new)
：＝a
(t)
。更新用戶k的指示變量其中，k：＝mod(t，k)+1。
47.(2-4)優化波束成形向量和數據傳輸速率，獲得系統有效吞吐量t
(new)
。
48.(2-5)判斷是否t
(new)
＞t
(old)
。若是，則執行(2-6)；若否，則執行(2-7)。
49.(2-6)更新t
(old)
：＝t
(new)
和a
(t+1)
：＝a
(new)
；若t
(new)
＞t
*
，則更新t
*
＝t
(new)
。跳轉執行(2-8)。
50.(2-7)保持指示變量不變，即a
(t+1)
：＝a
(t)
。
51.(2-8)判斷是否改變任意一個用戶的指示變量都無法提高系統的有效吞吐量。若是，則執行(2-9)；若否，則跳轉執行(2-3)。
52.(2-9)輸出最優的用戶選擇方案a
(t)
、相應的系統有效吞吐量、波束成形向量和數據傳輸速率。
53.步驟(2-4)中，優化波束成形向量和數據傳輸速率的具體操作如下：
54.(2-4-1)參數初始化：初始化迭代序號q：＝0，誤差容限δ2＞0。初始化系統有效吞吐量t
(0)
：＝0。
55.(2-4-2)對公共數據流設置初始波束成形向量對所有用戶k∈κ的私有數據流設置初始波束成形向量其中，p為總發射功率，1為n
t
維的全1向量。
56.(2-4-3)更新q：＝q+1。
57.(2-4-4)優化數據傳輸速率，包括：對所有用戶，優化私有部分的數據傳輸速率r
k，p
；對採用速率分割的用戶，優化公共部分的數據傳輸速率r
k，c
。
58.(2-4-5)優化波束成形向量。
59.(2-4-6)計算系統有效吞吐量t
(q)
。
60.(2-4-7)判斷：若|t
(q)-t
(q-1)
|≤δ2，則執行步驟(2-4-8)；若|t
(q)-t
(q-1)
|＞δ2，則跳轉執行步驟(2-4-3)。
61.(2-4-8)輸出波束成形向量、數據傳輸速率、系統有效吞吐量t
(q)
。
62.步驟(2-4)和(2-4-6)中，計算系統的有效吞吐量的公式如下，
[0063][0064]
其中，rc＝∑
k∈κakrk，c
是採用速率分割的用戶的公共部分信息的速率之和，l是碼塊長度，γ
k，c
是採用速率分割的用戶公共部分的信幹噪比：
[0065][0066]
γ
k，p
是用戶私有部分的信幹噪比：
[0067][0068]
步驟(2-4-4)中，優化私有部分數據傳輸速率的具體操作如下：對任意用戶k∈κ，私有部分的最優數據傳輸速率由以下公式計算：
[0069][0070]
其中，是方程φ
k，p
(x)＝0的解，方程φ
k，p
(x)為
[0071][0072]
步驟(2-4-4)中，優化公共部分數據傳輸速率的具體操作如下：
[0073]
(2-4-4-1)參數初始化：設置誤差容限δ3，初始化迭代序號t：＝0。
[0074]
(2-4-4-2)記所有採用速率分割的用戶集合為κ1，針對所有採用速率分割的用戶k∈κ1，初始化
[0075]
(2-4-4-3)更新t：＝t+1；
[0076]
(2-4-4-4)更新
[0077][0078]
其中，其中，是方程φ
k，c
(x)＝0的解，方程φ
k，c
(x)為
[0079]
[0080]
(2-4-4-5)判斷：若則執行步驟(2-4-4-6)；若則跳轉執行步驟(2-4-4-3)。
[0081]
(2-4-4-6)輸出最優的公共部分數據傳輸速率
[0082]
步驟(2-4-5)中，優化波束成形向量的具體操作如下：
[0083]
(2-4-5-1)參數初始化：初始化懲罰因子η，增長因子β2＞1，誤差容限δ4；初始化迭代序號n：＝0。
[0084]
(2-4-5-2)定義參數向量v＝[v
i，c
，i∈κ1，v
k，p
，k∈κ]
t
並初始化為v
(0)
。
[0085]
(2-4-5-3)定義波束成形矩陣wc和w
k，p
，記波束成形矩陣的集合為w＝{wc，w
k，
p|k∈κ}，並初始化為w
(0)
。
[0086]
(2-4-5-4)針對給定的v
(n)
和w
(n)
，求解優化問題，得到v
(n+1)
和w
(n+1
)的值。
[0087]
(2-4-5-5)更新n：＝n+1和η：＝β2η。
[0088]
(2-4-5-6)判斷：若||w
(n)-w
(n-1)
||≤δ4，則執行步驟(2-4-5-7)；若||w
(n)-w
(n-1)
||＞δ4，則跳轉執行步驟(2-4-5-4)。
[0089]
(2-4-5-7)將w
(n)
中的波束成形矩陣wc和w
k，p
分別做特徵根分解，分別記最大的特徵根為λc和λ
k，p
，其對應的特徵向量為qc和q
k，p
，輸出波束成形向量和
[0090]
步驟(2-4-5-4)中，求解優化問題的具體操作如下：
[0091]
(2-4-5-4-1)定義鬆弛變量集合τ＝{τ
i，c
，τ
k，p
|i∈κ1，k∈κ}
[0092]
(2-4-5-4-2)針對給定的v
(n)
和w
(n)
，通過cvx工具包求解如下凸優化問題：
[0093][0094][0095][0096][0097]
[0098][0099][0100]
log2(1+v
k，p
)+τ
k，p
≥r
k，p
，k∈κ
[0101]
其中，為用戶k的信道矩陣，函數定義為
[0102][0103][0104][0105]
函數i
i，c
(w)＝∑
j∈κ
tr(hiw
j，p
)，i∈κ1，函數i
k，p
(w)＝(1-ak)tr(hkwc)+∑
j∈κ\{k}
tr(hkw
j，p
)，k∈κ。
[0106]
以上所揭露的僅為本發明一種較佳實施例而已，不能以此來限定本發明之權利範圍，因此依本發明權利要求所作的等同變化，仍屬本發明所涵蓋的範圍。