多路访问通信系统中对子带的用户分发
文献发布时间:2023-06-19 09:29:07
技术领域
本发明涉及在诸如正交多路访问(OMA)和非正交多路访问(NOMA)之类的多路访问通信系统中对子带的用户分发。
背景技术
随着互联网应用的普及,预期在2016年底和2022年之间,由通信网络支持的移动业务量将增长8倍。为了在保持高水平的用户体验质量的同时有利地响应于这样的约束,针对未来第5代(5G)移动通信系统的系统容量和用户公平性应该得到很大的提高。为此,非正交多路访问(NOMA)最近已经成为针对未来无线电接入的有希望的候选方案。
通过利用附加的复用域(功率域),NOMA允许在发送器侧的每个子带的多个用户在调制层之上的共栖(cohabitation),调制层可以是正交频分复用(OFDM)、滤波器组多载波(FBMC)、通用滤波多载波(UFMC)或其他多载波方案,并且依赖于接收器侧的干扰消除技术(例如,连续干扰消除(SIC))。
NOMA的吸引人的特征是它在提高用户的公平性的同时以系统容量的增加为目标。因此,处理NOMA的大多数现有技术将比例公平(PF)调度器视为多用户调度方案,以用于在总用户吞吐量或数据速率与其提供的用户公平性之间进行折衷。与用于选择要被指派给每个子带的用户的基于NOMA的PF调度器共同实现的功率分配算法的示例在例如以下文献中被提出:“Uplink non-orthogonal access with MMSE-SIC in the presence of inter-cell interference”by Y.Endo,Y.Kishiyama,and K.Higuchi.in proc.2012IEEEInt.Symp.on.Wireless Commun.Syst,2012,或者“System-Level Performance ofDownlink Non-orthogonal Multiple Access(NOMA)Under Various Environments”byY.Saito,A.Benjebbour,Y.Kishiyama,and T.Nakamura in proc.IEEE 81st VTC,2015。
PF调度器的操作如下:在每个调度时隙t的开始处,每个用户向基站(BS)提供其信道状态。BS然后可以计算针对每个用户的可实现的吞吐量(取决于所采用的功率分配策略)。PF调度器(在BS侧操作)跟踪由每个用户在t
在Umehara,J.、Kishiyama,Y.、Higuchi,K.所著的题为“Enhancing userfairness in non-orthogonal access with successive interference cancellationfor cellular downlink”(in Proc.International Conference on CommunicationSystems(ICCS 2012))的文章中,作者提出了一种在非正交访问下行链路系统中的基于加权PF的多用户调度方案。提出了一种针对部分频率复用(FFR)中小区内部和小区边缘用户群的频率块访问策略,在用户公平性和系统频率效率的方面有显著的提高。
在由Mehrjoo,M.、Awad,M.K.、Dianati,M.、Xuemin,S.所著的题为“Design ofFair Weights for Heterogeneous Traffic Scheduling in Multichannel WirelessNetworks”,IEEE Trans.Commun.,58(10)(2010)的文章中,公平的权重已经被实现用于OFDMA网络的异构业务类型的机会调度。为了设计公平的权重,所提出的调度器在业务类型方面考虑了平均信道状态和资源需求。仿真分析说明了所提出的方案在资源利用方面的效率,以及由于用户移动性而引起网络特性变化的灵活性。
在来自Gueguen,C.、Baey,S.的题为“Compensated Proportional FairScheduling in Multiuser OFDM Wireless Networks”(in Proc.IEEE Internationalconference on Wireless Mobile Computing,Networking Communication(2008))的文章中,研究了当移动通讯经历不均等的路径损失时,由PF调度器遇到的公平性不足的问题。为了减轻这个问题,已经提出了引入距离补偿因子的PF调度器的经修改的版本。结果表明,该解决方案实现了高容量和高公平性二者。在由Yang,C.、Wang,W.、Qian,Y.、Zhang X.所著的题为“A Weighted Proportional Fair Scheduling to Maximize Best-Effort ServiceUtility in Multicell Network”(in Proc.IEEE International Symposium onPersonal,Indoor and Mobile Radio Communications(2008))的文章中,提出了加权比例公平算法,以便使尽力服务效用(best-effort service utility)最大化。向PF度量引入加权因子背后的原因是利用由路径损失给出的固有的近远多样性。所提出的算法在保持类似的复杂度(在与PF度量相比时)的同时,提高了尽力服务效用和吞吐量性能二者。
由于NOMA中的调度器可以同时地将子带分配给多于一个用户,因此用户调度策略影响系统效率和用户公平性。由上述现有技术参考文献介绍的“比例公平(ProportionalFairness)”(PF)调度器被认为实现了这两个度量之间的折衷。PF调度器的目标是使长期平均用户速率最大化,以便确保小区吞吐量和用户公平性之间的平衡。PF算法被用在LTE(长期演进)中,以用于用户调度(将用户指派给时频资源块)。
PF调度算法最初是针对正交多路访问方案(LTE中的OFDMA)设计的,但是后来适于非正交多路访问(NOMA)方案。已经在大多数所提议的NOMA实施方式中采用这种调度策略。
如果考虑到具有单个发送器和接收器天线的下行链路系统,则该系统由以下内容组成:每个小区K个用户,其中总系统带宽B被划分为S个子带;以及基站的最大可允许发射功率P
其中
K是每个小区的用户的数量,
B是总系统带宽,
k
N是在子带上非正交地调度的用户的数量,
U
k
S是系统中的子带的数量,
s是正在考虑的子带(1≤s≤S)。
P
发射功率分配约束由以下等式表示:
其中P
当仅一个用户被指派给每个频率子带时(正交多路访问情况),PF调度器的操作如下:在每个调度时隙t的开始处,每个用户k向基站提供其在每个子带s(s=1…S)上的信道增益。时隙是通信系统中的基本的时间分配单元。例如,在LTE(长期演进的缩写,由第三代合作项目3GPP开发的第四代无线宽带技术)系统中,它等于1ms。
基站计算在子带s上用户k的对应的可实现的吞吐量R
在时隙t处,基于以下等式选择用户k*以在子带s上被服务:
调度算法在t
其中R
应用该方法的调度器给每个用户与其历史速率T
在NOMA的情况下,其中N>1,枚举可能的候选用户集合:K个用户中的N个的
在每个调度时隙t的开始处,每个用户k向基站提供其在每个子带s(s=1…S)上的信道增益。针对子带s上的每个候选用户集合U(U∈
{U
其中R
PF调度器以长期公平性为目标。由于PF调度器给每个用户与其平均吞吐量成反比的优先级,因此每当用户的历史速率较高时,会发生一些用户没有获得对可用资源的访问。在这种情况下,在多个调度时隙内用户将不会被指派任何传输速率。在对用户吞吐量有约束的应用(例如,准恒定数据速率应用)中,或者在深度缓冲可能被需要,并且可能与需要低延时传输的应用不兼容情况下,这种行为可能是非常有问题的。此外,针对NOMA方案,PF调度器没有考虑NOMA的特殊性:NOMA系统中实现的总吞吐量随着成对用户的信道增益的差异而增加。
US2015282185旨在描述具有多个复用层和多个移动设备的多路访问通信系统,其中移动设备在时间频率和空间资源上被配对。传输功率被分配使得在多个复用层之间共享总功率。根据移动设备的功率和信道质量来调整多个移动设备中的每一个的速率以及多个复用层。调整功率和速率,直到使诸如加权和速率之类的调度标准最大化。
在“2015IEEE 81s Vehicular Technology Conference(VTC Spring),IEEE,11May 2015”中发布的由Yuya Saito等人所著的题为“System-Level Performance ofDownlink Non-orthogonal Multiple Access(Noma)Under Various Environments”的文章的1至5页,描述了使用基于比例公平性的选择机制的NOMA系统中的特性行为。
一般而言,当将PF调度用于NOMA方案中的用户分配时,与正交多路访问(OMA)方案相比,位于基站附近的用户可以观察到较大的用户吞吐量增益,但是针对小区边缘用户几乎没有实现任何增益。
因此,期望识别一种用于解决这些问题的机制,并且提供一种用于更好地归属用户的方法。
发明内容
在实现总用户吞吐量或数据速率以及长期用户公平性之间的折衷的同时,需要将用户归属于NOMA系统中的子带。
为此,本发明在第一方面公开了一种系统,该系统用于在基于非正交多路访问(NOMA)的多路访问通信系统中,将用户归属于多个子带中的一个或多个。该系统包括:指派处理器,其适于针对相应的所选择的子带确定多个候选用户对,以用于可能指派给所选择的子带,每个候选用户对包括两个不同的用户,这两个不同的用户包括第一用户和候选第二用户;以及吞吐量计算器,其适于确定使度量最大化的候选用户对,该度量反映由被指派给正在考虑的子带(s)的任何用户对可实现的总吞吐量,作为由该相同的用户对在预定的前一时段内实现的已知吞吐量的一部分。指派处理器进一步适于将用于使度量最大化的、由吞吐量计算器确定的候选用户对指派给正在考虑的子带(s)。
根据本发明的第二方面,提供了一种确定性能度量以用于在基于非正交多路访问(NOMA)的多路访问通信系统中在候选用户的集合之中选择第一用户(k
在第二方面的发展中,该方法包括以下进一步的步骤:基于至少一个标准选择第一用户(k
根据第二方面的进一步的发展,重复选择第一用户(k
根据第二方面的进一步的发展,该方法包括以下进一步的步骤:将子带(s)归属于与所选择的第二用户(k
根据第二方面的进一步的发展,第二项表示候选第二用户(k)和所选择的第一用户(k
根据第二方面的进一步的发展,第一加权参数(a)的值被设置为0,从而使子带(s)上的NOMA吞吐量最大化。
根据第二方面的进一步的发展,第二加权参数(b)的值被设置为0,从而实现针对所选择的第二子带用户(k
根据第二方面的进一步的发展,第一加权参数(a)的值和第二加权参数(b)的值二者都不为空,从而减少第二用户(k
根据第二方面的进一步的发展,用户(k)的已知吞吐量考虑到在评估时间窗口期间的平均吞吐量和用户(k)的预计的吞吐量,其中,预计的吞吐量是针对在当前的时隙中用户(k)已经归属于的每个子带上用户(k)可实现的吞吐量的总和。
根据第二方面的进一步的发展,在针对排除所选择的第一子带用户(k
-在计算相应的第二项的步骤之时,考虑到针对用户(k′)的预计的吞吐量,在评估时间窗口期间针对每个用户(k′)计算用户(k′)的已知吞吐量,
-计算在所有候选子带用户上计算出的已知吞吐量的平均值,
-相应的第二项是在所有候选子带用户之中的每个用户(k′)上的以下两项之间的差异的绝对值的总和:考虑到用户(k′)的预计吞吐量的用户的已知吞吐量(k′),以及在所有候选子带用户上计算出的已知吞吐量的平均值。
根据本发明的第三方面,提供了一种适于实现第二方面的步骤的装置。
根据本发明的第四方面,提供了一种包括指令的计算机程序,当该程序由计算机执行时,这些指令使计算机执行第二方面的步骤。
根据本发明的第五方面,提供了一种包含第四方面的计算机程序的计算机可读介质。
附图说明
仅出于说明的目的,现在将参考附图描述本发明的上述和其他优点,在附图中:
图1示出了第一示例性选择机制的操作过程;
图2示出了考虑用于与预选择的第一用户相关联的候选第二用户的实施例;
图3示出了第三示例性的选择机制的操作过程;
图4示出了FTFMM度量的参数a和b以及每个子带的用户数量对一组示例性试验数据中的总小区吞吐量的影响;
图5示出了FTFMM度量的参数a和b以及子带数量对总小区吞吐量的影响;
图6示出了FTFMM度量的参数a和b以及每个子带的用户数量对公平性的影响;
图7示出了FTFMM度量的参数a和b随着时间推移对公平性的影响。所呈现的曲线对应于实施例:其中,子带的数量S=128并且每个子带的用户的数量K=15。针对具有a和b之间的不同的平衡呈现了三条曲线711、712和713。出于比较的目的,还呈现了针对FMM714、与NOMA715使用的经典PF以及与OMA度量716使用的经典PF的实验结果;
图8示出了根据实施例的系统。
具体实施方式
为了进一步提高在NOMA中的所实现的系统性能,本发明旨是在子带之中最佳地分发用户。这可以引起提高用户公平性和/或可以增加所实现的系统吞吐量。
本发明的实施例提供了一种改进的度量以用于在NOMA系统中对子带的用户分发。出于说明的目的,在下文中将参考本发明的实施例来描述本发明。
本发明公开了一种确定性能度量以用于在基于非正交多路访问(NOMA)多路访问通信系统中在候选子带用户的集合之中选择第一用户k
可以以各种各样的算法实现这种方法。在一些情况下,可以预选择第一用户,并且然后将第二用户指派为与第一用户一起形成使度量最大化的候选用户对的用户,并且在其他情况下,可以与相应的第二用户一起考虑多个第一候选用户。在以下示例中阐述了这两种方法的示例。
在一些实施例中,可以根据至少一个标准来预选择第一用户k
本发明可以适于许多用户选择机制,下面通过示例呈现其中的三种机制。然而,技术人员将理解的是,所要求保护的方法可以适于许多其他这样的选择机制。
图1示出了第一示例性选择机制的操作过程。在时间和频率上分配资源之后授予访问权限。分配被划分为多个时隙。针对每个时隙,顺序地分配子带,直到达到每个时隙的子带总数。针对每个子带分配,考虑用户的所有组合。
该方法在步骤100处开始,之后进行到新时隙开始的步骤110。方法接着进行到步骤120,在该步骤处,在可用子带的集合之中选择子带s。根据本实施例,该选择仅仅是通过增加或减少频率的顺序的顺序选择。也可以在可用子带的集合中随机选择子带,但在这种情况下,可以在下一次随机选择之前从子带的集合中移除所选择的子带。一旦选择了子带,该方法就进行到步骤130,在该步骤处,愿意通信的K个用户之中的每个用户k向基站提供其在子带s上的信道增益。该方法接着进行到步骤140,在该步骤处,功率被分配给子带并且在子带内的用户之中分配。功率分配对吞吐量值有影响。在本示例中,可以假设在子带之间均等分发子带,然而存在许多将功率分配给子带的替代方法(例如,注水)。还存在若干方法以用于在子带s的用户之中分发功率(子带内功率分配,例如固定功率分配(FPA)、部分发射功率分配(FTPA)),所有这些都与本公开兼容并包含在本公开中。
在本实施例中,在吞吐量计算之前执行功率分配的计算,这是因为用户的吞吐量值取决于分配给该用户的功率。
该方法接着进行到步骤150,在该步骤处,基站针对所选择的子带s上的N个用户(N=2的用户对)的所有候选集合计算对应的可实现的吞吐量。
该方法接着进行到步骤160,在该步骤处,基站基于至少一个标准来选择N个用户的集合。
N=2(用户对)的情况:使度量最大化的用户对(k
其中
·S
·R
·R
R
R
其中
·T
由等式(6)呈现的度量在下文中称为“灵活吞吐量vs公平性最大化度量”,并由其缩写(FTFMM)表示。
在步骤170处,所选择的用户k
将理解的是,图1示出了一种直接的方法,其用于共同选择要指派给所选择的子带s的用户对或用户元组(如果N>2)。该方法可以排除除了根据总用户吞吐量和用户公平性之间的折衷之外的另一标准(例如,给予已订阅高级服务或需要高服务质量或其他任何事物的一些用户优先权)的用户选择。
因此,如所描述的,提供了一种确定性能度量以用于在基于非正交多路访问(NOMA)的多路访问通信系统中在候选用户的集合之中选择第一用户(k
等式(6)的度量的最大化倾向于有利于具有高NOMA吞吐量和/或具有低已知吞吐量的用户对。因此,分子部分表示具有给定的用户对的子带s上的NOMA吞吐量,并且分母表示那些相同的用户的加权的累积的已知吞吐量。
在可选的变体中,用户k的已知吞吐量R
该项可以被视为考虑到在当前的时隙t处已经分配给用户k的吞吐量的T
预计的吞吐量R
在此基础上,反映由该相同的候选用户对在预定的前一时段内实现的已知吞吐量的第二项可以包括以下两项的总和:考虑到在当前的时隙中指派给该用户的预计的吞吐量的、候选子带第一用户k的已知吞吐量,以及考虑到在当前的时隙中指派给该用户的预计的吞吐量的、候选子带第二用户k′的已知吞吐量。
实验结果示出,当用户k的已知吞吐量R
在另一个可选的变体中,在上面描述的关于NOMA系统中的K个用户之中的N个(其中,N>2)的现有技术的基本选择机制的情况下,在可能的候选用户集合之中要选择的用户集合U
其中
·S
·
·
或者可选地,在预计的吞吐量被考虑到的情况下,
因此,作为步骤170处的图1的方法的变体,所选择的用户k
图2示出了考虑了针对用于与预选择的第一用户相关联的候选第二用户的实施例。
该方法在步骤200处开始,然后进行到新时隙开始的步骤210。该方法接着进行到步骤230,在该步骤处,在愿意通信的K个用户之中的每个用户k为基站提供了其在子带s上的信道增益。该方法接着进行到步骤231,在该步骤处选择第一用户。可以在任何合适的标准的基础上来选择第一用户,例如但不限于,优先考虑具有诸如高体验质量之类的应用需求的高要求用户,优先考虑距离基站最远的用户,优先考虑具有弱信道状态信息(CSI)的用户,和/或优先考虑自较长时间以来尚未被分配给子带的用户。可以使用“最差最佳h”标准,从而计算所有子带上的所有用户的信道增益h,并且针对每个用户仅保留最佳h值,并且具有最低最佳h的用户被选择。所选择的用户具有低信道增益,并且可能远离基站。可以优先考虑与其他用户相比使用需要更高的数据速率的应用的用户(独立于针对这些用户的所需的QoE),如订阅了高级服务的用户,或者对于用户具有目标数据速率的情况,则优先考虑其已知吞吐量或数据速率远离目标的用户。这些因素的任何组合都可以被组合以作为选择第一用户的基础。一旦已经选择了第一用户(k
其中
·S
N>2的情况:选择使度量最大化的用户的集合(k
其中
·S
在步骤270处,所选择的用户k
将理解的是,在特定情况下,例如如果子带被顺序选择(以频率的递增/递减顺序)或随机地选择,则步骤231和232可以被反转。如果针对所选择的用户1该子带被选择为具有最高信道增益的子带,则这种反转可能没有意义。
将理解的是,可以在不改变基本原理的情况下实质上修改图1和图2的方法(可以针对不同的用户并行地而不是串行地计算FTFMM度量)。用户的特定冗余组合可以被忽略(可能没有必要将已经被认为是具有相同候选伙伴的第二用户的用户认为是第一用户)。用户可以被并行地指派给相应的子带。用户的指派不需要构成分立的步骤,并且可以通过确定最大化FTFMM度量的用户的选择来暗示。当在FTFMM度量下考虑用户时,可以可替代地获得增益值。
在一些实施例中,可以称为“加权FTFMM”的FTFMM度量的变体(由等式(6)表示)可以被使用如下:
其中,可选的参数a和b可以取0(包含0)和1(包含1)之间的值,其中a和b不同时为空。参数a和b的引入提供了一种用于一方面改变公平性的相对重要性并且另一方面改变吞吐量的机制。
换言之,在这样的实施例中,第二项(分母)表示候选子带第一用户k和候选子带第二用户k'的加权的累积的已知吞吐量,其中,在评估时间窗口t
因此,如参考图2所描述的,提供了一种在基于非正交多路访问(NOMA)的多路访问通信系统中在候选子带用户的集合之中选择第一子带用户k
·基于至少一个标准来选择第一用户(k
·针对包括所选择的第一用户(k
·针对所有候选子带第一用户之中的每个候选子带第一用户k并且针对所有候选子带第二用户之中的每个候选子带第二用户k',计算相应的第二项,该第二项表示候选子带第一用户k和候选子带第二用户k'的累积的已知吞吐量,其由以下值的总和来计算:在评估时间窗口期间针对候选子带第一用户k的已知吞吐量值,以及在评估时间窗口期间针对候选第二用户k'的已知吞吐量值;以及
·选择第一子带用户(k
在一些实施例中,其中a=0,通过考虑NOMA吞吐量以及用户k
在一些实施例中,其中根据先前标准来选择第一用户k
在一些实施例中,其中b=0,通过考虑NOMA吞吐量和用户k
- 用于多路访问通信系统中对子带的用户分发的方法和装置
- 多路访问通信系统中对子带的用户分发