CN106162660A - 异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，多个异构接入网络融合共存的网络场景中，不同网络采用正交多址技术，同一网络内支持两个用户采用非正交多址技术共享系统时频资源。该方法包括以下步骤：步骤1)、建模网络联合能效η；步骤2)、建模网络传输速率；步骤3)、建模网络传输功率；步骤4)、优化各个基站发送功率；步骤5)、优化用户‑基站匹配策略。本发明所述方法可以有效保障在异构融合网络下用户‑基站优化匹配及基站传输功率优化分配，实现网络能效最大化。

Description

异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法

技术领域

本发明涉及异构融合网络资源分配技术领域，具体涉及一种基于非正交多址技术的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法。

背景技术

近年来，各类无线接入技术得到快速发展，然而，无线接入技术的异构性，以及用户需求的多样性导致任何一种单一的无线接入技术均无法满足用户所有的业务需求,促使各种无线网络技术逐渐实现高效协同与融合共存，构成异构融合网络。另一方面，用户快速增长的移动业务需求对传统无线通信技术，特别是多址接入技术提出挑战，非正交多址(Non-orthogonal Multiple Access，NOMA)技术的提出有望在传统正交多址技术的基础上进一步实现用户传输性能及网络容量的提升。

正交多址技术是指网络为不同用户分配不同资源(频率、时隙、码字等)，从而在实现多用户共享系统资源的同时，可有效避免用户间干扰。NOMA技术则是指网络为多个用户分配相同的时隙频率资源，以实现用户信息传输。NOMA系统的接收端通过采用各种串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术实现对接收信号的正确解调。与正交多址技术相比，NOMA技术可有效实现频谱效率的提升及系统容量的增加。

目前已有研究中，有文献针对采用NOMA技术的蜂窝系统进行性能评估，证实NOMA技术可有效提升遍历容量；也有研究考虑基于NOMA的蜂窝系统用户功率分配和信令开销的问题，通过功率域区分用户，最大化用户的信道容量。

以上研究通过建模特定网络性能函数，研究基于NOMA技术的网络性能优化，但现有研究未综合考虑基于NOMA异构融合网络场景下用户与基站匹配，用户资源分配及用户业务需求等问题，难以实现网络综合性能优化。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种可以有效保障异构融合网络用户QoS需求，进行干扰消除，实现用户正确解调，进而提高频谱利用率和网络综合性能分配的方法。本发明的技术方案如下：

一种异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，所述异构融合网络的不同网络之间采用正交多址接入技术，即不同网络之间无时频资源共享，同一网络内支持两个用户组成用户对采用非正交多址接入技术，共享系统时频资源，多个用户对之间采用正交多址接入技术，用户匹配及功率分配方法包括以下步骤：

步骤1)、获取异构融合网络中网络i的网络能效η_i，建模得到所有接入网络的能效和η；

步骤2)、获取异构融合网络内基站到各个用户的传输速率，并通过串行干扰消除(SIC)技术建模基站到用户的网络传输速率；

步骤3)、获取基站到用户的传输功率，并求和得到网络传输功率；

步骤4)、在满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即P_i≤P_i ^max；以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率的条件下，优化各个基站发送功率；

步骤5)、根据步骤4)优化确定的各基站发送功率，继而优化确定用户-基站匹配策略。

进一步的，在步骤1)中，所有接入网络的能效和η为不同网络的网络能效η_i之和，即其中，η_i表示第i个网络能效，1≤i≤M，M表示网络总数，假设每个网络中部署一个基站，第i个网络的基站也称第i个基站。

进一步的，所述第i个网络能效η_i定义为其中，N表示用户总数，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户建立关联时对应的能效；x_ij表示基站、用户关联标识，x_ij＝1表示基站i与用户j关联，否则x_ij＝0。

进一步的，所述第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户建立关联时对应的能效定义为其中，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户关联时对应的传输速率和，表示第i个基站发送功率和，P_cir表示基站接入用户时电路所消耗的功率。

进一步的，所述步骤2)获取异构融合网络内基站到各个用户的传输速率，并根据SIC技术建模基站到用户的网络传输速率包括：获取所述网络中基站用户的关联标识x_ij，假设每个基站关联两个用户，即每个用户最多可关联一个基站，即所述定义为其中，分别表示第i个基站到第j₁个用户与第j₂个用户的传输速率；

获取基站i到用户j的信道增益h_ij，对该信道增益h_ij进行排序，令h_i1≥h_i2≥...≥h_iN，根据SIC技术可得 其中，B_i表示网络i的带宽，分别表示基站i到第j₁个用户、第j₂个用户的发送功率，σ²表示高斯白噪声功率。

进一步的，步骤4)中，满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即P_i≤P_i ^max；以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率的条件下，优化各个基站发送功率，包括：

建模基站-用户对功率优化问题确定用户最优功率分配策略，令即第i个基站与第j₁,j₂个用户关联，在满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即P_i≤P_i ^max；以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率，即 条件下采用拉格朗日对偶方法优化确定传输功率即为最优发送功率。

进一步的，所述采用拉格朗日对偶方法优化确定传输功率具体包括以下步骤：步骤a)、确定拉格朗日函数为

其中α,β,γ≥0为拉格朗日乘子；步骤b)、拉格朗日对偶问题可建模为步骤c)、令拉格朗日函数对的偏导为零，即可确定为拉格朗日乘子的函数；步骤d)、根据梯度迭代算法计算拉格朗日乘子，即 其中，ε₁,ε₂,ε₃表示迭代步长，通过迭代计算拉格朗日乘子及直至收敛，可优化确定传输功率

进一步的，在所述步骤5)中，给定其中分别表示基站i到用户j₁、j₂的最优发送功率，建模基站-用户匹配优化问题，在满足和条件下确定基站-用户匹配策略，即其中表示基站i与用户j₁、j₂最优匹配。

进一步的，所述SIC机制包括：用户接收端采用串行干扰消除SIC技术实现信息解码，即SIC接收机将不同用户信道增益进行顺序排序，首先对信道增益大的用户进行判决，得到对应信号后，将该用户信号从接收信号中减除，继而对余下用户循环执行上述操作，直至完成所有用户的信号检测。

本发明的优点及有益效果如下：

根据步骤1)，建模网络联合能效，即本发明综合考虑网络传输性能和基站功率消耗，通过优化网络总能效，可实现网络综合性能增强；根据步骤2)，通过同一网络内支持非正交多址接入技术，可有效继而提高网络资源利用率，通过在用户端采用串行干扰消除技术，可降低用户之间干扰，实现用户正确解码；根据步骤4)，在满足基站发送功率及用户传输速率限制条件下采用拉格朗日对偶方法，并通过迭代算法求解，直至收敛，即确定为最优发送功率，从而可实现基站优化功率分配；根据步骤5)，给定建模基站-用户匹配优化问题，在满足和条件下确定基站-用户匹配策略，即从而实现用户优化配对。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例异构融合网络场景图；

图2基于非正交多址技术的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为异构融合网络场景图，不同网络采用正交多址技术，同一网络内支持两个用户采用非正交多址技术共享系统时频资源，在满足基站发送功率小于其最大发送功率和用户传输速率大于用户最小传输速率需求情况下，如何实现用户与基站的匹配及基站传输功率分配问题。

图2基于非正交多址技术的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法流程图，该方法包括以下步骤：1)、建模网络联合能效η；2)、建模网络传输速率；3)、建模网络传输功率；4)、优化各个基站发送功率；5)、优化用户-基站匹配策略。

具体技术方案如下：

1)建模网络联合能效η：

建模网络联合能效η为所有接入网络能效和，即其中，η_i表示第i个网络能效，1≤i≤M，M表示网络总数，假设每个网络中部署一个基站，第i个网络的基站也称第i个基站。所述η_i定义为其中，N表示用户总数，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户建立关联是对应的能效；x_ij表示基站、用户关联标识，x_ij＝1表示基站i与用户j关联，否则x_ij＝0。

所述的第i个基站关联第j₁个用户与第j₂个用户总能效定义为其中，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户关联时对应的传输速率和，表示第i个基站发送功率和，P_cir表示基站接入用户时电路所消耗的功率。

2)建模网络传输速率：

根据所述网络中基站、用户关联标识x_ij，假设每个基站关联两个用户，即每个用户最多可关联一个基站，即所述定义为其中，分别表示第i个基站到第j₁个用户与第j₂个用户的传输速率。

令h_ij表示基站i到用户j的信道增益，对该信道增益进行排序，令h_i1≥h_i2≥...≥h_iN，根据SIC技术，可得 其中，B_i表示网络i的带宽，分别表示基站i到第j₁个用户、第j₂个用户的发送功率，σ²表示高斯白噪声功率。

3)建模网络传输功率：

所述定义为

4)优化各个基站发送功率：

建模基站-用户对功率优化问题确定用户最优功率分配策略，令即第i个基站与第j₁,j₂个用户关联，在满足基站i发送功率小于其最大发送功率，即P_i≤P_i ^max；以及用户传输速率大于用户最小传输速率，即条件下优化确定传输功率即为最优发送功率。

5)优化用户—基站匹配策略：

给定建模基站-用户匹配优化问题，在满足和条件下确定基站-用户匹配策略，即

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (9)

1.一种异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述异构融合网络的不同网络之间采用正交多址接入技术,即不同网络之间无时频资源共享，同一网络内支持两个用户组成用户对采用非正交多址接入技术，共享系统时频资源，多个用户对之间采用正交多址接入技术，用户匹配及功率分配方法包括以下步骤：

步骤1)、获取异构融合网络中网络i的能效η_i，建模得到所有接入网络的能效和η；

步骤2)、获取异构融合网络内基站到各个用户的传输速率，并通过串行干扰消除SIC技术建模基站到用户的网络传输速率；

步骤3)、获取基站到用户的传输功率，并求和得到网络传输功率；

步骤4)、在满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率的条件下，优化各个基站发送功率；

步骤5)、根据步骤4)确定的各基站最优发送功率，继而优化确定用户-基站匹配策略。

2.根据权利要求1所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，在步骤1)中，所有接入网络的能效和η为不同网络的网络能效η_i之和，即其中，η_i表示第i个网络能效，1≤i≤M，M表示网络总数，假设每个网络中部署一个基站，第i个网络的基站也称第i个基站。

3.根据权利要求2所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述第i个网络能效η_i定义为其中，N表示用户总数，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户建立关联时对应的能效；x_ij表示基站、用户关联标识，x_ij＝1表示基站i与用户j关联，否则x_ij＝0。

4.根据权利要求3所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户建立关联时对应的能效定义为其中，表示第i个基站与第j₁个用户及第j₂个用户关联时对应的传输速率和，表示第i个基站发送功率和，P_cir表示基站接入用户时电路所消耗的功率。

5.根据权利要求4所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述步骤2)获取异构融合网络内基站到各个用户的传输速率，各用户采用SIC接收机进行信号接收，建模基站到用户的网络传输速率包括：获取所述网络中基站用户的关联标识x_ij，假设每个基站关联两个用户，即每个用户最多可关联一个基站，即所述定义为其中，分别表示第i个基站到第j₁个用户与第j₂个用户的传输速率；

获取基站i到用户j的信道增益h_ij，对该信道增益h_ij进行排序，令h_i1≥h_i2≥...≥h_iN，根据SIC技术可得 其中，B_i表示网络i的带宽，分别表示基站i到第j₁个用户、第j₂个用户的发送功率，σ²表示高斯白噪声功率。

6.根据权利要求4所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，步骤4)中，满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率的条件下，优化各个基站发送功率，包括：

建模基站-用户对功率优化问题确定用户最优功率分配策略，令即第i个基站与第j₁,j₂个用户关联，在满足基站i发送功率小于其最大设定发送功率，即以及用户传输速率大于用户最小设定传输速率，即 条件下采用拉格朗日对偶方法优化确定传输功率即为最优发送功率。

7.根据权利要求6所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述拉格朗日对偶方法优化确定传输功率具体包括以下优化步骤：步骤a)、确定拉格朗日函数为：

$L(\mathrm{\α},\mathrm{\β},\mathrm{\γ},P_{{\mathrm{ij}}_1},P_{{\mathrm{ij}}_2})=R_{i,j_1,j_2}-{\mathrm{\η}}_{i,j_1,j_2}(P_{{\mathrm{ij}}_1}+P_{{\mathrm{ij}}_2}+P_{cir})-\mathrm{\α}(P_{{\mathrm{ij}}_1}+P_{{\mathrm{ij}}_2}-P_i^{\max })-\mathrm{\β}(R_{i,j_1}^{\min }-R_{i,j_1})-\mathrm{\γ}(R_{i,j_2}^{\min }-R_{i,j_2}),$

其中α,β,γ≥0为拉格朗日乘子；步骤b)、拉格朗日对偶问题可建模为步骤c)、令拉格朗日函数对的偏导为零，即可确定为拉格朗日乘子的函数；步骤d)、根据梯度迭代算法迭代确定拉格朗日乘子：即 其中，ε₁,ε₂,ε₃表示迭代步长，通过迭代计算拉格朗日乘子及直至其收敛，可优化确定传输功率

8.根据权利要求6所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，在所述步骤5)中，给定其中分别表示基站i到用户j₁、j₂的最优发送功率，建模基站-用户匹配优化问题，在满足和条件下确定基站-用户匹配策略，即其中表示基站i与用户j₁、j₂最优匹配策略。

9.根据权利要求5所述的异构融合网络联合用户匹配及功率分配方法，其特征在于，所述SIC技术包括：用户接收端采用SIC技术实现信息解码，即SIC接收机将不同用户信道增益进行顺序排序，首先对信道增益大的用户进行判决，得到对应信号后，将该用户信号从接收信号中减除，继而对余下用户循环执行上述操作，直至完成所有用户的信号检测。