专利名称：基于码率分裂的无线多接入信道中用户速率分配方法
技术领域：
本发明属于无线通信资源分配技术领域，涉及一种利用码率分裂多接入技术实现多接入通信系统速率分配的方法，具体是一种计算码率分裂多接入系统参数的方法。
背景技术：
无线多接入信道模型适用于许多实际应用场景，例如移动蜂窝网络的上行链路。多接入信道中多个用户同时占有无线信道资源，而无线信道资源是十分珍贵的不可再生资源，这就使得合理有效的分配信道资源变得十分重要，甚至决定着整个网络的性能。现有的资源分配方法主要包括时分复用、频分复用和码分复用三种，这三种方法均属于正交分配方法。正交分配方法是一种次优的信道资源分配方法，没有充分利用无线信道资源，造成了无线信道资源的浪费。码率分裂多接入(RSMA)技术正是为了充分利用无线信道资源而产生的一种新技术。这种方法不但对系统同步要求低，而且可以降低编码开销，仅用单用户编码传输结合接收端的逐次译码技术就可以实现多接入信道容量区边界上任意的速率分配。
逐次译码技术是现有的一种较成熟的多用户译码技术，被广泛的应用于干扰消除、中继传输等领域中。设接收端接收到N个用户的传送信号。首先将第1个用户的接收信号作为数据信息，其余的N-1个用户的信号作为干扰，译码出第1个用户的信息。对于第1个用户来说，其信道状况较差，传输速率低。然后，将第一个用户的译码信息作为第一个用户的发送信息从接收的信号中减去，将剩余的信号作为总的接收信号。进一步，将第2个用户的接收信号作为数据信息，其余的N-2个用户的信号作为干扰，译码出第2个用户的信息。按照这个方法重复操作，直至译出所有用户的信息。对于不同的逐次译码次序相当于对不同用户分配了不同质量的通信信道。通过调节对用户的逐次译码次序，可以实现对无线信道资源的分配。
在N个用户的多接入传送中，码率分裂技术将至多N-1个用户各分裂为两个虚拟用户，剩余用户保持不变。对于被分裂的用户，其虚拟用户的功率分配由分裂系数决定。确定一组分裂系数和对至多2N-1个虚拟用户的逐次译码次序，就可以确定唯一的一组用户传送速率。在发送用户端，根据分裂系数将其功率分为两部分，分别进行编码传输。在接收端，按照所得的逐次译码次序对接收到的虚拟用户信息进行逐次译码。通过这种方法，就可以实现预设的用户速率分配。利用码率分裂技术实现多接入信道资源分配，首先要计算实现预设速率分配策略的码率分裂系统参数值，包括用户的分裂系数和对虚拟用户的逐次译码次序。然而，至今还没有一种实用的方法来计算码率分裂的系统参数，这就使得对码率分裂技术的研究一直停留在理论分析阶段。至码率分裂诞生之日起，该技术就被应用于各种理论分析场景，而在实际应用中只限于N＝2的多用户码率分裂。对于用户数为N(N＞2)的码率分裂多接入来说，没有可行的方法计算码率分裂的系统参数。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于码率分裂的无线多接入信道中用户速率分配方法，该方法可实现多接入信道容量边界上的速率分配，使得无线通信资源得到有效的利用。
本发明提供的基于码率分裂的无线多接入信道中用户速率分配方法，包括计算码率分裂多接入系统参数和配置系统进行传送两个部分。计算码率分裂多接入系统参数又包括计算用户的分裂顺序和根据用户的分裂顺序计算分裂系数和虚拟用户的逐次译码次序两个部分。用户的分裂顺序可由合并二叉树计算出来。计算出用户的分裂顺序后，多用户码率分裂就化为一系列两用户码率分裂。计算两用户的码率分裂系统参数进一步可分为两种情况。按照分裂顺序，依需要交替的使用两种情况下两用户码率分裂参数的计算公式，就可以计算出多用户码率分裂多接入的系统参数。应用所得参数对码率分裂多接入系统进行配置，就可以实现多接入信道资源的预设分配。
具体步骤如下 (1)计算实现预设速率分配的码率分裂多接入系统参数 a)计算用户的干噪和数组(Δ1，...，Δ|I|)，其中，I＝{1，2，...，|I|}为用户标号集合，|I|为用户数，为用户i的干噪和，Pi为用户i的发送功率，Ri为用户i预实现的速率，按照用户干噪和从小到大的顺序对用户排序并重新编号，使得 Δ1≤...≤Δ|I|； b)寻找用户i和用户j，i，j∈I，满足Δj≤Δi＜Δj+Pj，把用户i和用户j合并为一个超用户S，超用户S的功率为Ps＝Pi+Pj，码率为Rs＝Ri+Rj，其干噪和为 c)在用户集I中由超用户替代用户i和用户j，用户数减少1，用户集为I＝{1，2，...，|I|}； d)重复a)、b)、c)三个步骤直至得到一系列不重叠的用户或超用户，对于i，j∈I，满足Δj+Pj≤Δi，记录上述合并过程，得到一系列合并二叉树； e)从合并二叉树的根节点出发，每次分裂对应于父节点分裂为两个子节点，直至合并二叉树的叶子节点，这个顺序即为所求的分裂顺序，父节点包括两类一类包含两个不重叠的功率块，另一类包含一个完整的功率块； f)计算用户的分裂系数(ε1，ε2，...，ε|I|) 对于包含两个不重叠功率块的父节点，满足 式中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值，父节点分裂为两个子节点，分别对应用户i和用户j，用户j的分裂系数可根据式(3)-(20)计算 ① ② ③ 当则 当则 ④ 当则 当则 式中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和，根据两子节点的和功率等于父节点的功率，两子节点的和速率等于父节点的速率，用户i的分裂系数可相应求得； 对于包含一个完整功率块的父节点，满足 其中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为与两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值，用户j的分裂系数可根据式(21)-(23)计算 Δj，2＝Δs(23) 式中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和，用户i不分裂，其分裂系数εi＝1，干噪和不变； g)计算虚拟用户的逐次译码次序 按照e)中所得的分裂顺序，依情况交替使用f)中两类父节点的计算公式对用户或超用户进行分裂，计算用户的分裂系数以及分裂用户两功率块对应的干噪和，直至求出合并二叉树的叶子节点所代表的用户的分裂参数，用户分裂后的两个功率块分别对应用户的两虚拟用户，对虚拟用户按照干噪和从大到小排序得到逐次译码次序； (2)配置通信系统参数 发送用户端对于用户i，i∈I，根据其分裂系数εi，将功率分为两部分εiPi和(1-εi)Pi，分别按照速率g(εiPi，Δi，1)和g((1-εiPi)，Δi，2)进行编码传送； 接收端按照g)中所得的逐次译码次序对虚拟用户进行译码。
上述步骤中，用户的干噪和代表功率约束下加性白高斯信道中，用户实现预设传送速率时能容忍的最大干扰噪声功率和。用户j的干噪和σ2表示信道中的噪声功率，δj表示来自其他高斯干扰源的功率。用户分裂后得到的虚拟用户对应的是两块实现不同速率的功率块，其功率和为原用户的功率，速率和为原用户的速率。
本方法提供了一种计算码率分裂多接入系统参数的方法，根据得到的系统参数配置通信系统，就可利用码率分裂多接入技术有效的分配无线通信资源，实现预设的速率分配策略。本方法可以最大限度的利用无线信道资源，不但降低编码开销，只需要单用户编码结合接收端的逐次译码就可以实现预设的用户速率分配，而且不需要发送用户间严格的同步。
图1第一类父节点分裂示意图。
图2第二类父节点分裂示意图。
图3计算合并二叉树算法流程图。
图4多接入网络的码率分裂算法运行示意图。
图5计算分裂系数流程图。
图6多接入网络传输场景。
具体实施例方式 本发明适用于高斯多接入信道中给定发送用户数、信道噪声和发送功率数组情况下，利用码率分裂多接入技术实现容量区边界上任意的速率分配策略。
利用码率分裂多接入技术实现信道资源分配策略分为三个部分。首先要计算码率分裂的系统参数，然后根据所得的码率分裂系数和所得虚拟用户干噪和的大小配置用户端的发送参数，再根据干噪和从大到小的顺序控制接收端对虚拟用户的逐次译码次序。按照以上方法，就可以实现多接入信道上预设的速率分配策略。
具体步骤如下 I＝{1，2，...，|I|}表示系统中的用户标号集合，|I|为用户数。用户发送功率数组为(P1，...，P|I|)，接收端的噪声功率σ2。预实现的用户速率数组为(R1，...，R|I|)。
∑＝(ε1，ε2，...，ε|I|)为用户的分裂系数数组和⊿＝(Δ1，1，Δ1，2，...，Δ|I|，1，Δ|I|，2)为虚拟用户的干噪和数组。对于用户j，j∈I，εj表示用户j的功率被分裂成两个部分，分别对应虚拟用户u1j和u2j，其功率分别为εjPj和(1-εj)Pj，Δj，1和Δj，2代表用户j的两个虚拟用户u1j和u2j分别的干噪和。
(1)计算实现预设速率分配的码率分裂多接入系统参数 计算分裂顺序根据用户的功率数组和预设的速率数组，在用户中寻找重叠用户。用户i和用户j重叠，则Δj≤Δi＜Δj+Pj。其中，表示用户i和用户j分别对应的干噪和。将重叠用户合并为一个超用户，并用超用户代替重叠用户，用户数减1。重复操作直至得到一些列不重叠的用户或超用户。每个不重叠的用户或超用户对应一个合并二叉树。只有一个根节点的合并二叉树对应一个不重叠的用户，该用户不需要分裂。多个点的合并二叉树对应不重叠的超用户，从合并二叉树的根节点出发，每次分裂对应于一个父节点分裂为两个子节点，直至合并二叉树的叶子节点，这个顺序即为所求的分裂顺序，具体可分为以下步骤 a)计算用户的干噪和数组(Δ1，...，Δ|I|)。其中，为用户i的干噪和。按照用户干噪和从小到大的顺序对用户排序并重新编号，使得 Δ1≤...≤Δ|I|。
b)寻找用户i和用户j，i，j∈I，满足Δj≤Δi＜Δj+Pj。把用户i和用户j合并为一个超用户S，超用户S的功率为Ps＝Pi+Pj，码率为Rs＝Ri+Rj，其干噪和为 c)在用户集I中由超用户替代用户i和用户j，用户数减少1，用户集为I＝{1，2，...，|I|}。
d)重复a)、b)、c)三个步骤直至得到一系列不重叠的用户或超用户。对于i，j∈I，满足Δj+Pj≤Δi。记录上述合并过程，得到一系列合并二叉树。
e)从合并二叉树的根节点出发，每次分裂对应于父节点分裂为两个子节点，直至合并二叉树的叶子节点，这个顺序即为所求的分裂顺序。父节点包括两类一类包含两个不重叠的功率块，另一类包含一个完整的功率块。
计算分裂系数和虚拟用户的干噪和对于未参与合并的用户，不对其进行分裂，它所对应的虚拟用户就是其本身，分裂系数可设为1，干噪和保持不变。对于参与合并的用户，按照e)中得到的分裂顺序，码率分裂过程化为一些列两用户码率分裂过程。计算两用户的码率分裂系统参数进一步可分为两种情况，分别对应两类不同的父节点。根据1)中得到的分裂顺序，迭代使用两种情况下码率分裂系数的计算公式，直至合并二叉树的叶子节点，计算出所有用户的分裂系数和对应虚拟用户的干噪和。
f)计算用户的分裂系数(ε1，ε2，...，ε|I|) 对于包含两个不重叠功率块的父节点，满足 其中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值。父节点分裂为两个子节点，其分裂示意图如图1所示，分别对应用户(超用户)i和用户(超用户)j，其分裂系数可根据式(3)-(20)计算 ① ② ③ 当则 当则 ④ 当则 当则 其中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和。用户i的分裂系数可相应求得。
对于包含一个完整功率块的父节点，满足 其中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为与两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值。父节点分裂为两个子节点，其分裂示意图如图2所示，分别对应用户(超用户)i和用户(超用户)j分裂系数可根据式(21)-(23)计算 Δj，1＝Pi+Δi (22) Δj，2＝Δs (23) 其中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和。用户i不分裂，其分裂系数εi＝1，干噪和不变。
g)计算虚拟用户的逐次译码次序 按照e)中所得的分裂顺序，依情况交替使用f)中两类父节点的计算公式对用户或超用户进行分裂，并计算分裂系数以及虚拟用户对应的干噪和，直至求出合并二叉树的叶子节点所代表的用户的分裂参数。对虚拟用户按照干噪和从大到小排序得到逐次译码次序。
(2)配置通信系统参数 发送用户端对于用户i，i∈I，根据其分裂系数εi，将功率分为两部分εiPi和(1-εi)Pi，分别按照速率g(εiPi，Δi，1)和g((1-εiPi)，Δi，2)进行编码传送。
接收端按照g)中所得的逐次译码次序对用户进行译码。
下面以一个用户数为3的多接入网络中码率分裂传送为例，说明本发明的实施方法。设3个用户的多接入信道中，接收端高斯白噪声功率为σ2，用户的发送功率数组为(P1，P2，P3)，多接入信道容量区边界上某速率分配数组(R1，R2，R3)为预实现的速率分配策略。
1.计算码率分裂系统参数 首先计算合并二叉树，其算法流程图如图3所示。参照图4中的分裂二叉树，用户分裂的顺序为 1)超用户{1，2，3}分裂为用户1和超用户{2，3}。
2)超用户{2，3}分裂为两个用户，用户2和用户3。
计算分裂系数和虚拟用户干噪和的算法流程图如图5所示。在计算分裂系数和各虚拟用户的干噪和时，超用户{1，2，3}分裂时符合第一类父节点对应情况。超用户{2，3}分裂时符合第二类父节点对应情况。利用式(3)-(23)计算出∑＝(ε1，ε2，ε3)和⊿＝(Δ1，1，Δ1，2，Δ2，1，Δ2，2，Δ3，1，Δ3，2)。用户1没有被分裂只对应一个虚拟用户，则ε1＝1，干噪和Δ1，2可设为Δ1，2＝0。
2.用户端 根据所得的分裂系数(ε1，ε2，ε3)，每个用户将其功率分裂成两部分，每部分对应于一个虚拟用户。按照所得的干噪和⊿＝(Δ1，1，Δ1，2，Δ2，1，Δ2，2，Δ3，1，Δ3，2)，计算每个虚拟用户对应的编码速率，然后进行编码传送。传送场景如图6所示。
1)用户1没有分裂，只对应一个虚拟用户u11，其功率为P1，干噪和为Δ1，1＝Δ1，则其编码速率为 2)用户2的功率被分裂为两个部分，分别对应于两个虚拟用户u12和u22。按照所得的分裂系数，其功率分别为ε2P2和(1-ε2)P2。这两个虚拟用户对应的干噪和为Δ2，1和Δ2，2，则编码速率应分别设定为 3)和用户2相似，用户3的两个虚拟用户u13和u23的功率分别为ε3P3和(1-ε3)P3，对应的干噪和分别为Δ3，1和Δ3，2。其编码速率应分别设定为 3.接收端 在接收到所有虚拟用户传送的信息后，接收端按照虚拟用户干噪和的大小对虚拟用户进行逐次译码，干燥和大的虚拟用户先译，干噪和小的后译。由图4可得Δ3，2≤Δ2，2≤Δ1，1≤Δ2，1≤Δ3，1，那么译码顺序为u13→u12→u11→u22→u23。
至此，各个用户实现的速率分别为 用户1 用户2 用户3 即我们预设的速率分配策略。
权利要求
1.基于码率分裂的无线多接入信道中用户速率分配方法，该方法包括以下步骤
(1)计算实现预设速率分配的码率分裂多接入系统参数
a)计算用户的干噪和数组(Δ1，…，Δ|I|)，其中，I＝{1，2，…，|I|}为用户标号集合，|I|为用户数，为用户i的干噪和，Pi为用户i的发送功率，Ri为用户i预实现的速率，按照用户干噪和从小到大的顺序对用户排序并重新编号，使得
Δ1≤…≤Δ|I|；
b)寻找用户i和用户j，i，j∈I，满足Δj≤Δi＜Δj+Pj，把用户i和用户j合并为一个超用户S，超用户S的功率为Ps＝Pi+Pj，码率为Rs＝Ri+Rj，其干噪和为
c)在用户集I中由超用户替代用户i和用户j，用户数减少1，用户集为I＝{1，2，…，|I|}；
d)重复a)、b)、c)三个步骤直至得到一系列不重叠的用户或超用户，对于i，j∈I，满足Δj+Pj≤Δi，记录上述合并过程，得到一系列合并二叉树；
e)从合并二叉树的根节点出发，每次分裂对应于父节点分裂为两个子节点，直至合并二叉树的叶子节点，这个顺序即为所求的分裂顺序，父节点包括两类一类包含两个不重叠的功率块，另一类包含一个完整的功率块；
f)计算用户的分裂系数(ε1，ε2，…，ε|I|)
对于包含两个不重叠功率块的父节点，满足
式中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值，父节点分裂为两个子节点，分别对应用户i和用户j，用户j的分裂系数可根据式(3)-(20)计算
①
②
③
当则
当则
④
当则
当则
式中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和，根据两子节点的和功率等于父节点的功率，两子节点的和速率等于父节点的速率，用户i的分裂系数可相应求得；
对于包含一个完整功率块的父节点，满足
其中，Ps1和Ps2分别为两功率块的功率值，Δs1和Δs2为与两功率块对应的干噪和，Rs1和Rs2为两功率块的速率值，用户j的分裂系数可根据式(21)-(23)计算
Δj，1＝Pi+Δi(22)
Δj，2＝Δs (23)
式中，εj为用户j的分裂系数，Δj，1和Δj，2为用户j分裂成两功率块分别对应的干噪和，用户i不分裂，其分裂系数εi＝1，干噪和不变；
g)计算虚拟用户的逐次译码次序
按照e)中所得的分裂顺序，依情况交替使用f)中两类父节点的计算公式对用户或超用户进行分裂，计算用户的分裂系数以及分裂用户两功率块对应的干噪和，直至求出合并二叉树的叶子节点所代表的用户的分裂参数，用户分裂后的两个功率块分别对应用户的两虚拟用户，对虚拟用户按照干噪和从大到小排序得到逐次译码次序；
(2)配置通信系统参数
发送用户端对于用户i，i∈I，根据其分裂系数εi，将功率分为两部分εiPi和(1-εi)Pi，分别按照速率g(εiPi，Δi，1)和g((1-εiPi)，Δi，2)进行编码传送；接收端按照g)中所得的逐次译码次序对虚拟用户进行译码。
全文摘要
本发明提供了基于码率分裂的无线多接入信道中用户速率分配方法。首先计算码率分裂多接入通信系统的系统参数，包括分裂顺序和分裂参数两部分。通过合并二叉树，得到用户的分裂顺序。基于分裂顺序，多个用户的码率分裂化为一系列两用户码率分裂。依照分裂顺序，交替使用两类父节点的分裂公式，计算出所有用户的分裂系数和对应虚拟用户的干噪和。根据所得的分裂参数，在用户发送端调节编码速率，在接收端控制虚拟用户的逐次译码顺序，进而实现预设的速率分配策略。本方法可实现多接入信道容量区边界上的任意速率分配，最大限度的利用无线通信资源，不但降低了编码复杂度，而且无须用户间严格的同步，是一种分配无线通信资源简单有效的方法。
文档编号H04W74/08GK101827452SQ201019146039
公开日2010年9月8日 申请日期2010年2月5日 优先权日2010年2月5日
发明者毛小矛, 仇佩亮 申请人:浙江大学