CN106332256B - 一种非正交多址接入功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种非正交多址接入功率分配方法，首先在获得各子信道的注水等效信道增益的基础上，采用注水原理得到各子信道的复用功率；然后在单个子信道上叠加用户间根据分数阶或固定功率分配方式得到各叠加用户的功率。该方法在算法复杂度增加不大的情况下，相比Benjebbour功率分配方法提高了大约7％的系统总吞吐量。

Description

一种非正交多址接入功率分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于非正交多址接入(non-orthogonalmultiple access,NOMA)系统的功率分配方法。

背景技术

高速增长的无线应用促使了第五代移动通信系统的研究热潮。IMT-2020(5G)推进组在《5G愿景与需求白皮书》中提出5G对未来无线网络更高要求，即用户体验速率要达到0.1-1Gbps，设备连接承受能力要达到10⁶/km²，频谱效率要比4G提升5～15倍。为了满足人们日益增长的移动业务需求，迫切需要改进现有的多址接入技术。在这种背景下Saito等人提出了非正交多址接入技术(non-orthogonal multiple access，NOMA)。

NOMA的基本原理是在发送端先对各个用户信号独立进行编码调制，在对各个用户信号分配不同的功率后进行线性叠加，叠加后的信号还可以采用正交频分复用(orthogonal frequency division multiplexing，OFDM)技术来进行传输；接收端通过串行干扰消除检测技术完成用户信号的接收。NOMA是一种基于功率域复用的多址技术，各用户通过信号功率的不同来进行区分，从而可以将时域、频域等资源提供给多个用户共享，以提高系统的频谱效率、系统容量。

目前，NOMA系统功率分配问题的研究已经有了初步成果。NOMA首次将功率域由单用户独占改为由多用户共享，使功率分配变得更加复杂。Benjebbour A和Li A等人提出了一种在总功率约束下最大化系统吞吐量的功率分配方法。该方法先将功率平均分配给每个子信道，然后在单个子信道上采用分数阶功率分配方法进行功率再分配。这种方法虽然计算复杂度低，但是功率分配效率很差。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种检测方法。本发明的技术方案如下：

一种非正交多址接入功率分配方法，其包括以下步骤：

步骤1、基站首先通过公共控制信道获取向小区内发送信息的用户集；

步骤2、基站端估计用户集的信道状态信息CSI，获得当前各用户不同信道状态情况；

步骤3、对于每个子信道，穷举出所有用户组合并给该用户组合初次分配功率，并计算出各用户组合的吞吐量，找到最大吞吐量的用户组合，将最大吞吐量的用户组合作为该子信道的叠加用户集；其中用户组合初次分配功率先将总功率P_tot平均分配给N个子信道，然后在单个子信道上采用分数阶或固定功率分配方式对用户进行功率再分配；

步骤4、基站给各子信道上的叠加用户集(采用注水原理)进行功率分配。

进一步的，所述步骤3在单个子信道上采用分数阶或固定功率分配方式得到各叠加用户的功率，即给信道条件较好的用户分配α_fpaP_tot/N，给信道条件较差的用户分配(1-α_fpa)P_tot/N，其中α_fpa为各叠加用户的功率比，其中0<α_fpa<0.5，假设对所有子信道来说α_fpa都为常数。

进一步的，所述步骤4基站给各子信道上的叠加用户集进行功率分配包括步骤：

a)找出各子信道的注水等效信道增益，第n个子信道的注水等效信道增益为h′_n；

b)初始化关键参数，其中包括初始注水水位α，实际参与本次注水的子信道集合S_on、子信道数N_on和调整步长μ，初始注水水位按下式求得：

其中B表示总带宽，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，P_tot为基站发射功率，N为子信道个数；H_n表示子信道信噪比。

c)得到本次实际分配中所有子信道功率p_n，若某一子信道的功率p_n<0，将其置为零，且把该子信道从剩余的迭代过程中剔除，子信道的复用功率按下式求得：

p_n＝1/α-1/H_n

(a.2)

d)如果c)中所有子信道的功率p_n都非负，则转至e)；否则，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位α更新为：

e)进行各子信道上叠加用户间功率再分配，得到各叠加用户的功率，第n个子信道上用户i的功率按下式分配：

其中Ω_n表示第n个子信道上叠加用户集合，α_ftpa(0≤α_ftpa≤1)为分数阶功率分配方式的功率衰减因子。

进一步的，当采用固定功率分配方式时第n个子信道上用户i和用户j的功率关系表示为：

p_i,n＝α_fixp_j,n (a.5)，

其中i∈Ω_n,j∈Ω_n。

进一步的，所述步骤c)中最优的子信道功率p_n是通过拉格朗日算法，构造拉格朗日函数并求导求得。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明方法基于整个信道资源被预先分给了K个用户前提下，首先对所有子信道进行注水，得到各个子信道的复用功率；然后在单个子信道上采用分数阶或固定功率分配方式进行功率再分配，得到各叠加用户的发送功率。本发明主要创新点体现在子信道间功率分配上。在子信道间功率分配过程中，本发明每次迭代需要执行2N次加法和N+2次乘法，其运算量为O(N)，整个子信道间功率分配的运算量为O(kN)，其中N为每次注水的子信道个数，k为迭代次数。该方法在增加少量计算复杂度的前提下，相比Benjebbour功率分配方法提高了大约7％的系统总吞吐量。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例NOMA系统下行链路模型；

图2是用户接收机的SIC检测处理流程；

图3是用户组合选择和功率分配流程图；

图4是本专利方法系统吞吐量分析。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明的技术方案如下：

图1为NOMA系统下行链路模型。假设小区中用户数为Kfαpa，子信道数为N，总带宽为B，总发射功率为P_tot，第n个子信道上叠加的用户数为k_n，基站和接收端天线数都为1。

在发送端，子信道n上的叠加信号s_n可表示为:

其中,x_i,n表示在子信道n上第i个用户的发送信号，p_i,n代表第i个用户在子信道n上分配的功率。

在接收端，用户UE_k在子信道n上的接收信号为：

其中，h_k,n和w_k,n分别表示子信道n上基站到接收端k的信道增益和噪声，假设噪声的均值为零，方差为

从等式(2)可以得知，接收端除了包含自身有用的信号外，还包含其他用户的干扰信号。UE接收机采用串行干扰消除技术(successive interference cancellation，SIC)进行检测。当其他用户解码之后，便可以将对本用户的干扰消除，本用户便可以正确解码。不同UE接收机的检测过程有所不同，对所有UE接收机而言，正常解码顺序为载波干扰噪声比(CINR)升序。假设在第n个子信道上功率域叠加用户根据载波干扰噪声比从大到小排序为：其中UE_m接收机进行SIC检测处理时，其依次消除叠加用户信号的影响，之后将用户UE₁,UE₂,…,UE_m-1信号都当成干扰处理。图2表示UE_m接收机的SIC检测处理流程。

经过SIC检测处理后，用户UE_m在第n个子信道上的吞吐量为：

进一步，假设整个信道资源被预先分给了K个用户，则使得NOMA系统总的吞吐量最大化的功率分配优化模型如下:

其中Ω_n表示子信道n上叠加的用户集合。式(5)代表复用到第n个子信道上的用户功率不小于0。式(6)表示所有子信道上用户的功率总和不大于P_tot。

由于NOMA系统在发送端采用功率复用技术，当功率域叠加用户数k_n大于3时，功率复用带来的吞吐量提升很小，但是接收机SIC检测性能却急剧下降，因此本文考虑k_n为2的情况。假设将(3)代入(4)中改写目标函数：

其中k₁和k₂为Ω_n集合中的用户。

图3所示为用户组合选择和功率分配流程图。具体步骤如下：

1)基站端通过公共控制信道确认要向小区内发送信息的用户集；

2)基站端获得用户集的CSI(Channel State Information)；

3)对于每个子信道，通过穷举所有用户组合及给用户组合初步分配功率，计算各组合的吞吐量，找到最大吞吐量的用户组合，将其作为该子信道的叠加用户集；其中初步分配功率包括：基站端将发射总功率平均分配给所有可用的子信道，即对于每个子信道n，分配的功率为P_tot/N；在单个子信道上采用固定功率分配方式得到各叠加用户的功率，即给信道条件好的用户分配α_fpaP_tot/N，给信道条件较差的用户分配(1-α_fpa)P_tot/N，其中α_fpa(0<α_fpa<0.5)为各叠加用户的功率比，假设对所有子信道来说α_fpa都为常数；

4)基站给各子信道上的叠加用户进行功率分配；

其中，基站给各子信道上的叠加用户进行功率分配过程如下：

a)找出各子信道的注水等效信道增益，第n个子信道的注水等效信道增益为h'_n；

b)初始化各参数，包括：初始注水水位α，实际参与本次注水的子信道集合S_on、子信道数N_on和调整步长μ，初始注水水位按下式求得：

c)得到本次分配的所有子信道功率p_n，在该步骤中，可以将目标函数(4)改写为：

其中N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，h'_n表示第n个子信道的注水等效信道增益，我们取叠加用户间信道增益较好者作为注水等效信道增益h'_n。

根据式(9)和(10)，利用拉格朗日算法，构造拉格朗日函数：

其中，λ拉格朗日乘子。

式(11)两边分别对p_n，λ求导，则有

令α＝λln2，则可以计算出

α＝H_n/(1+H_np_n) (14)

从而可以推出

p_n＝1/α-1/H_n (15)

此时式(15)并不能直接计算得到最优的子信道功率p_n，当某一子信道的功率p_n<0，将其置为零，且把该子信道从剩余的迭代过程中剔除；

d)如果步骤c)中所有子信道的功率p_n都非负，则转至e)；否则，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位调整为：

e)进行各子信道上叠加用户的功率p_i,n计算，在该步骤中，子信道上功率再分配按下式进行：

其中α_ftpa(0≤α_ftpa≤1)表示分数阶功率分配方式的功率衰减因子，当α_ftpa＝0为用户等功率分配。随着α_ftpa的增加，低信道增益的用户获得更多的功率。

总之，本发明主要创新点体现在子信道间功率分配上。在子信道间功率分配过程中，本发明每次迭代需要执行2N次加法和N+2次乘法，其运算量为O(N)，整个子信道间功率分配的运算量为O(kN)，其中N为每次注水的子信道个数，k为迭代次数。

为了进一步说明本发明提供的一种非正交多址接入功率分配方法有效性，下面对本发明的功率分配方法进行仿真验证，其中子信道上叠加用户间采用分数阶功率分配方式，仿真结果如图4所示。仿真的信道模型为6径频率选择性瑞利衰落信道，6径的功率分布为[0，-8.69，-17.37，-26.06，-34.74，-43.43]dB，最大多普勒频移为30Hz，时延扩展为5us，功率域叠加用户数为2个，基站总发射功率为1W，子信道数为128，系统带宽为1MHz，噪声功率谱密度为1.1565*10-8W/Hz，假设基站接收理想的信道信息。仿真结果看出本发明一种非正交多址接入功率分配方法在少量增加计算功率分配过程复杂度基础上，相比Benjebbour功率分配方法提高了大约7％的系统总吞吐量。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，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 (4)

1.一种非正交多址接入功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、基站首先通过公共控制信道获取向小区内发送信息的用户集；

步骤2、基站端估计用户集的信道状态信息CSI，获得当前各用户不同信道状态情况；

步骤3、对于每个子信道，穷举出所有用户组合并给该用户组合初次分配功率，并计算出各用户组合的吞吐量，找到最大吞吐量的用户组合，将最大吞吐量的用户组合作为该子信道的叠加用户集；其中用户组合初次分配功率先将总功率P_tot平均分配给N个子信道，然后在单个子信道上采用分数阶或固定功率分配方式对用户进行功率再分配；

步骤4、基站给各子信道上的叠加用户集采用注水原理进行功率分配，所述步骤4基站给各子信道上的叠加用户集进行功率分配包括步骤：

a)找出各子信道的注水等效信道增益，第n个子信道的注水等效信道增益为h'_n；

b)初始化关键参数，其中包括初始注水水位α，实际参与本次注水的子信道集合S_on、子信道数N_on和调整步长μ，初始注水水位按下式求得：

其中B表示总带宽，N₀表示加性高斯白噪声的功率谱密度，P_tot为基站发射功率，N为子信道个数；H_n表示子信道信噪比；

c)得到本次实际分配中所有子信道功率p_n，若某一子信道的功率p_n＜0，将其置为零，且把该子信道从剩余的迭代过程中剔除，子信道的复用功率按下式求得：

p_n＝1/α-1/H_n (a.2)

d)如果c)中所有子信道的功率p_n都非负，则转至e)；否则，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位α更新为：

e)进行各子信道上叠加用户间功率再分配，得到各叠加用户的功率，第n个子信道上用户i的功率按下式分配：

其中Ω_n表示第n个子信道上叠加用户集合，α_ftpa(0≤α_ftpa≤1)为分数阶功率分配方式的功率衰减因子。

2.根据权利要求1所述的非正交多址接入功率分配方法，其特征在于，所述步骤3在单个子信道上采用分数阶或固定功率分配方式得到各叠加用户的功率，即给信道条件较好的用户分配α_fpaP_tot/N，给信道条件较差的用户分配(1-α_fpa)P_tot/N，其中α_fpa为各叠加用户的功率比，其中0＜α_fpa＜0.5，假设对所有子信道来说α_fpa都为常数。

3.根据权利要求2所述的非正交多址接入功率分配方法，其特征在于，当采用固定功率分配方式时第n个子信道上用户i和用户j的功率关系表示为：

p_i,n＝α_fixp_j,n (a.5)，

其中i∈Ω_n,j∈Ω_n。

4.根据权利要求1所述的非正交多址接入功率分配方法，其特征在于，所述步骤c)中最优的子信道功率p_n是通过拉格朗日算法，构造拉格朗日函数并求导求得。