[发明专利]一种毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法

说明书

本发明公开了一种毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法，以最大化能效为优化目标，联合优化用户的发射功率和基站的接收波束成形矢量。该方法首先将多维的复杂联合优化问题分解为低维的相对简单的子问题，即功率分配子问题和波束成形子问题，然后证明了功率分配子问题的最优解码顺序并推导了该问题的最优解，最后利用上述结果和一维搜索法对波束成形子问题进行求解以获得最终的功率分配和波束成形方案，从而能以较低的计算复杂度使系统达到较高的能效。

技术领域：

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法。

背景技术：

随着无线通信技术的飞速发展，在传统的低频频段内，有限的频谱资源很难满足日益增长的移动终端的业务需求。由于尚未完全开发利用的毫米波频段在3GHz到30GHz 范围内具有丰富的频谱资源，毫米波通信技术在即将到来的第五代移动通信及未来移动通信研究中取得到了广泛关注。然而在使用毫米波频段进行通信时，考虑到功率消耗和硬件成本，毫米波通信系统中的射频链路的数量通常有限，若采用传统的正交多址接入方案，例如时分多址接入，频分多址接入，码分多址接入等，将会导致在一个资源块内基站同时服务的用户数量有限，难以高效利用有限的无线通信资源，这对于未来移动通信中支持海量设备接入的应用场景是一个巨大挑战。

为了克服这一缺点，近些年来，非正交多址接入(NOMA,Non-Orthogonal MultipleAccess)这一新型技术被考虑应用于毫米波通信的研究中。一方面，区别于传统的OMA 技术，功率域NOMA技术(以下简称NOMA)能够通过功率域的叠加编码，支持不同的用户同时接入相同的频域/时域/码域资源块进行通信，并使用串行干扰消除技术在接收端处实现多用户的信号检测，对不同用户的信号进行依次解码，从而有效地提高资源利用效率，提高同时服务的用户数量。另一方面，由于毫米波传播的高度定向特征，用户的信道呈现高度相关，这将有利于将NOMA技术应用于毫米波通信系统中。

在毫米波NOMA上行通信系统中，针对不同目标的资源优化问题，如频谱效率最大化，能量效率(以下简称能效)最大化等，功率分配和波束成形设计一般互相影响且关系密切。现有对于毫米波NOMA通信系统中频谱效率的研究较多，但涉及能效的研究相对较少，特别是对于低复杂度的联合优化功率分配和波束成形设计方法的研究极度稀缺，因此亟待开发一种毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法。

发明内容：

针对毫米波NOMA上行通信系统，为了提高系统的能效以及降低系统的解码计算开销，本发明考虑用户信号的最优解码顺序，提出了联合功率分配和波束成形设计的有效方法，所提出毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法能很好地兼顾系统性能和计算复杂度。

本发明所采用的技术方案有：一种毫米波NOMA上行通信系统中联合功率分配和波束成形设计方法，步骤如下：

步骤S1：建立基于NOMA的毫米波上行通信系统，该系统中一个装配N个天线的毫米波基站通过上行功率域非正交多址接入协议为两个单天线用户提供服务，其中基站与用户间的信道为毫米波信道，且基站的每个接收天线通过各自的功率放大器和移相器连接到唯一的射频链路上；

步骤S2：建立上述系统的能效最大化问题，并将该问题分解成固定波束成形的功率分配子问题和固定功率分配的波束成形子问题；

步骤S3：针对步骤S2中的功率分配子问题，判断最优解码顺序，求解最优功率分配；

步骤S4：针对步骤S2中的波束成形子问题，利用一维搜索法以及步骤S3的结果来获得最终的功率分配和波束成形方案。

进一步地，步骤S2包含以下子步骤：