CN106941688A - 基于历史信息的pdma系统功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及移动通信技术领域，特别涉及一种基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于：给资源块上各复用用户预设功率分配系数，采用复用用户预设功率分配系数加上功率等级粒度与调整步长的乘积获得一个复用用户的优化功率分配系数，根据各复用用户的优化功率分配系数构建单个资源块上的功率分配系数值序列，根据各个资源块上的功率分配系数值序列构建多资源块复用用户功率图样矩阵；不仅极大地降低了计算复杂度，而且提升了系统的吞吐量。

Description

基于历史信息的PDMA系统功率分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，涉及一种基于历史仿真或实测功率系数值的图样分割多址接入(Pattern Division Multiple Access，简称PDMA)系统功率分配方法。

技术背景

随着物联网和云计算的飞速发展，第五代移动通信系统需要满足更高容量和更大用户连接数的新需求。然而，传统的正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access，简称OMA)很难满足这些需求，因此Saito等人提出了功率域非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access，简称NOMA)。NOMA的基本原理是在发送端先对各个用户信号进行独立编码调制，再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，简称OFDM)技术来进行传输；接收端通过串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，简称SIC)算法完成用户信号的检测。NOMA是一种基于功率域复用的多址技术，各复用用户通过各自不同信号功率进行区分，从而将时域、频域等资源提供给多个用户共享，以提高系统的频谱效率和系统容量。经过几年的发展，工业界和学术界提出了多种NOMA技术，如交织分割多址接入(Interleave Division Multiple Access，简称IDMA)、比特分割复用(BitDivision Multiplexing Access，简称BDMA)、稀疏码多址接入(Sparse Code MultipleAccess，简称SCMA)、多用户共享接入(Multi-User Sharing Access，简称MUSA)和图样分割多址接入(Pattern Division Multiple Access，简称PDMA)等。

在PDMA发送端设计合理的图样矩阵来实现最大化分集增益和最小化多址用户接入数。功率域图样矩阵，主要考虑功率分配因子、相位旋转因子因素。在接收端，采用串行干扰消除技术实现多用户的联合检测。为了进一步提高串行干扰消除算法性能，功率域图样矩阵往往采用稀疏矩阵形式。总之，PDMA通过发送端图样矩阵设计和接收端SIC算法，提高吞吐量和频谱利用率。

传统PDMA系统功率分配方式是多个用户以图样矩阵形式复用多个非连续资源块。当PDMA系统的图样矩阵取理论值时，将用户的空闲资源采用其他用户占用资源复用后，可构成更少复用用户复用连续资源块的矩阵形式。也就是说，针对传统PDMA系统的图样矩阵的多用户功率分配过程，可以简化为多用户复用单个连续资源块的功率分配过程，然后再将连续资源块映射为传统PDMA系统的图样矩阵即可。全搜索功率分配考虑了所有可能的用户组合和功率分配组合，能实现最优的系统吞吐量性能，但是复杂度极高，固定功率分配和部分功率分配复杂度可忽略不计，但是系统总吞吐量性能损失很大，因此它们很难应用于实际系统中。为满足PDMA系统功率分配低复杂度、高吞吐量需求，给出一种基于历史仿真或实测功率系数值的功率分配方法。

发明内容

为解决以上问题，本发明实施例提供一种基于历史信息的PDMA系统功率分配方法。

本发明提供一种基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，给资源块上各复用用户预设功率分配系数，采用复用用户预设功率分配系数加上功率等级粒度与调整步长的乘积获得一个复用用户的优化功率分配系数，根据各复用用户的优化功率分配系数构建单个资源块上的功率分配系数值序列，根据各个资源块上的功率分配系数值序列构建多资源块复用用户功率图样矩阵。

优选地，进一步包括将多资源块复用用户功率图样矩阵变换为多资源块复用用户功率离散图样矩阵。

优选地，所述将多资源块复用用户功率图样矩阵变换为多资源块复用用户功率离散图样矩阵，包括：对每个非连续资源块中未分配给用户资源块的功率分配值采用零进行填充，对用户已分配的连续功率分配值直接根据非连续功率分配值的位置直接进行映射。

与现有技术相比，基于以上所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法及装置，充分利用终端经历的无线信道信息，结合大量的仿真或实测功率分配系数值，对复用用户功率分配进行优化，在执行功率分配系数值的映射，从而提高复用用户功率分配灵活性与公平性。本发明不仅极大地降低了计算复杂度，而且提升了系统的吞吐量。

附图说明

图1为PDMA系统下行链路示例模型；

图2为本发明基于历史信息的PDMA系统功率分配方法第一优选实施例流程示意图；

图3为本发明基于历史信息的PDMA系统功率分配方法第二优选实施例流程示意图；

图4本发明所述优化功率分配系数值示意图；

图5为本发明连续PDMA功率分配系数映射为与非连续PDMA功率分配系数实例示意图；

图6本专利与现有技术吞吐量性能对比仿真结果示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图对本发明实施例进一步详细说明。

图1为PDMA系统下行链路示例模型，假设小区中总的用户数为K_αfp，基站总发射功率为P_BS，可用资源块数为N_SB，第b个资源块上叠加的用户数为N＝1，2，...，N_max，其中N_max为资源块内能够复用的最多用户数，基站和接收端天线数都为1。

在发射端，资源块b上的叠加信号s_b可表示为:

其中，x_k表示在资源块b上第k个用户的发送符号，P_k代表第k个用户在资源块b上分配的功率，P_k＝β_k×P_BS/N_SB，β_k定义为为资源块b上第k个用户的功率分配系数值。

在接收端，用户UE_n在资源块b上的接收信号为：

其中，h_n和n_n分别表示资源块b上基站到接收端UE_n的信道增益和均值为零，方差为的高斯白噪声，I_n表示小区间干扰。

为了便于分析，公式(2)可以进一步改写为：

从公式(3)可以得知，接收端除了包含目标信号外，还包含其他用户的干扰信号。UE接收端采用串行干扰消除技术进行检测。具有高信干噪比值(Signal to Interferenceplus Noise Ratio，SINR)的用户先解调出自己的信号，然后具有低信干噪比值的用户采用串行干扰消除技术使目标信号正确解调。不同UE接收端的检测过程有所不同，对所有UE接收端而言，正常解码顺序为信干噪比降序。假设在第b个资源块上功率域叠加用户根据信干噪比值从大到小排序为：

SINR_1，b>SINR_2，b…>SINR_n，b>…>SINR_N，b (4)

未经接收端处理的信干噪比可表示如下：

SINR_n＝|h_n|²P_BS/[N_SB(P_I+P_N)] (5)

其中P_I，P_N分别表示小区间干扰信号的功率和用户UE_n的噪声功率。

接收端进行SIC检测处理时，依次消除叠加用户UE_N，UE_N-1，…，UE_n+1信号的影响，将用户UE₁，UE₂，…，UE_n-1信号都当成干扰处理。

经过SIC检测处理后，用户UE_n在第b个子带上的信干噪比可表示为：

将(6)式带入香农公式，可得UE_n的吞吐量公式为：

资源块b上所有复用用户的总吞吐量可表示为：

下面结合图2，详细说明本发明基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，给资源块上各复用用户预设功率分配系数，采用复用用户预设功率分配系数加上功率等级粒度与调整步长的乘积获得一个复用用户的优化功率分配系数，根据各复用用户的优化功率分配系数构建单个资源块上的功率分配系数值序列，根据各个资源块上的功率分配系数值序列构建多资源块复用用户功率图样矩阵。

PDMA系统图样矩阵设计过程，需要综合考虑过载因子、分集度和检测复杂度等因素，图样矩阵每一行中1的个数即为单个资源块上复用的用户数，当完成图样矩阵的设计时，即完成复用用户数N的分配；

本发明针对单个资源块上的复用用户的功率分配，需要完成图样矩阵的设计，使功率分配的复杂度低，同时能保证系统优良的吞吐量性能。也即是说，多个资源块上的功率分配通过单个资源块上功率分配来进行。

本发明单个资源块上的复用用户的功率分配采用以下方式进行：

首先，预设一个资源块上复用用户的功率分配系数；

典型地，各个资源块可以根据典型无线信道环境下的大量仿真经验值或实测值预设功率分配系数；

优选地，所述预设功率分配系数可以是根据典型无线信道特征经过大量仿真后获得的多种仿真信道下最优值的折中值；每种仿真信道都进行仿真，获得该仿真信道下的最优值，然后取平均获得折中值。

优选地，预设功率分配系数为根据移动终端处于相对稳定的状态时的历史功率分配系数。

现有技术通过固定功率分配系统获得功率分配，但是固定功率分配系统的方式不能保证系统优良的吞吐量，而本发明通过优化求解功率分配系数值，然后采用优化的功率分配系数值构建功率图样矩阵，从而提高接收端的检测可靠性，同时能够保证系统优良的吞吐量性能。

作为本发明优选方式，对资源块上复用用户的功率分配系数进行优化，如图3所示，过程如下：

根据仿真经验值或实测经验值初始化复用用户的预设功率分配系数值β_n(n＝1,2,…,N)。

复用用户的预设功率分配系数值满足归一化约束条件，即：

β₁+β₂+…+β_N＝1 (9)

采用复用用户预设功率分配系数加上功率等级粒度与调整步长的乘积获得一个复用用户的优化功率分配系数β_n'，即：

β_n'＝β_n+L_Δ·Δ_n

其中，L_Δ表示调整步长，Δ_n表示功率等级粒度

对于调整步长和功率等级粒度的获得，本发明采用动态计算的方式；

首先，将一个资源块上复用用户按信干噪比降序排列。

然后，在某复用用户的不同功率系数搜索范围D_n内，分别计算当前用户吞吐量R_nL与当前用户之后的所有用户的吞吐量R_L的和值(R_nL+R_L)，当和值取得最大值时，返回此时的功率系数搜索范围，确定调整步长和功率等级粒度，

下面描述如何通过功率系数搜索范围确定调整步长和功率等级粒度，如图4所示。

资源块b上复用用户按照SINR降序排列，接收端SIC处理按照SINR降序进行，对于user_n+1的功率分配系数应该不小于user_n的功率分配系数，即功率分配系数β满足：

根据功率分配系数β的约束条件，灵活设置调整步长L和功率等级粒度Δ_n，使之满足：

在基于历史信息的功率分配方法中，假设初始化功率分配系数值已经接近于最优功率分配系数值，且功率系数搜索范围D_n满足：

β_n-L_d·Δ_n≤D_n≤β_n+L_u·Δ_n (10)

其中，L_d和L_u分别代表功率系数搜索范围D_n调整步长下调整值和上调整值。

功率等级粒度Δ_n的选取，对于不同用户可以划分不同的功率分配范围(即不同的功率分配下调整值L_d和上调整值L_u)，在不同的范围内可以确定不同的Δ_n值，以此实现快速灵活的功率分配搜索。

在某复用用户的不同功率系数搜索范围D_n内，以功率等级Δ_n遍历所有的功率分配值，对应的吞吐量(用户n的吞吐量)计算公式为：

其中，β_n为user_n的功率分配系数值，L为功率搜索范围的调整步长，Δ_n为功率等级粒度，P_BS为基站总发射功率，h_n为基站到用户n的信道响应系数，N_SB为资源总块数，I_n为小区间干扰，n_n为高斯白噪声。

进一步，考虑到当前用户n的功率分配会影响到用户n+1至用户N的吞吐量性能，则后面用户的吞吐量(用户n之后的用户的吞吐量)公式为：

其中，β_k、β_n、β_m分别为用户k、用户n、用户m的功率分配系数值，L为功率搜索范围的调整步长，Δ_n为用户n功率等级粒度，P_BS为基站总发射功率，h_m为基站到用户m的信道响应系数，N_SB为资源总块数，I_m为小区间干扰，n_m为高斯白噪声。

递增n，重复上述过程，至到n>N，获得单个资源块上的功率分配系数值序列{β₁'，β₂',…,β'_N}。

使用相同的功率分配方法可得到各个资源块上的功率分配系数值序列，根据各个资源块上的功率分配系数值序列构建多资源块复用用户功率图样矩阵G_P：

为使接收端图样检测更可靠，本发明引入具有分集度和稀疏性的离散图样矩阵，以增加接收端的抗干扰能力。

作为较优方式，将多资源块复用用户功率图样矩阵变换为多资源块复用用户功率离散图样矩阵，如图3所示。

公式(14)所得是PDMA系统连续资源块上复用用户功率值矩阵G_P,本发明将其映射为多资源块复用用户功率离散图样矩阵G'_P。依次对每个非连续资源块中未分配给用户资源块的功率分配值采用零进行填充，对用户已分配的连续功率分配值直接根据非连续功率分配值的位置直接进行映射即可。

下面对4×4的连续图样矩阵映射为4×7非连续图样矩阵映射过程，如图5所示。第1行第1-4功率分配值依次映射为第1、2、3、5功率分配值，第2行第1-4功率分配值依次映射为第1、2、4、6功率分配值，第3行第1-4功率分配值依次映射为第1、3、4、7功率分配值。

本发明基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，该方法不但极大缩小了功率分配范围，而且大幅降低了计算复杂度，还能使用户总吞吐量达到局部最优。

本专利所述功率分配方法基于历史仿真或实测的功率分配系数值信息，使优化功率分配的搜索范围相对于全搜索功率分配方法大为缩小，另外通过灵活配置各自的搜索空间和搜索步长。提高了功率分配的灵活性和精准性，极大降低了整个功率分配算法复杂度。

为了进一步说明本专利所述功率分配方法的有效性，图6为MATLAB环境下本发明与现有技术吞吐量性能仿真图。仿真参数设置如下，信道模型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5.55Hz，反馈延迟为4ms，功率域叠加用户数分别为2、3、4，系统带宽为10MHz，子带带宽为1.08MH，噪声密度为-174dBm/Hz，信道估计为理想状态。仿真结果可以看出，在4个用户情况下，本发明与部分功率分配方法相比，吞吐量性能提升约5％；与全搜索功率分配方法相比，吞吐量性能下降不到1％；但经统计，本发明功率分配方法计算复杂度为(2L·Δ/ο)^N-1，全搜索功率分配方法复杂度为N/ο^N-1，本发明极大地降低了计算复杂度。

本发明充分利用终端经历的无线信道信息，结合大量的仿真或实测功率分配系数值，对复用用户功率分配进行优化，再执行功率分配系数值的映射，从而提高复用用户功率分配灵活性与公平性，不仅极大地降低了计算复杂度，而且提升了系统的吞吐量。

以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于：给资源块上各复用用户预设功率分配系数，采用复用用户预设功率分配系数加上功率等级粒度与调整步长的乘积获得一个复用用户的优化功率分配系数，根据各复用用户的优化功率分配系数构建单个资源块上的功率分配系数值序列，根据各个资源块上的功率分配系数值序列构建多资源块复用用户功率图样矩阵。

2.根据权利要求1所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述预设功率分配系数为根据移动终端处于相对稳定的状态时的历史功率分配系数。

3.根据权利要求1所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述预设功率分配系数为根据典型无线信道特征经过大量仿真后获得的多种仿真信道下最优值的折中值。

4.根据权利要求1所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述功率等级粒度与调整步长采用以下方式获得：在某复用用户的不同功率系数搜索范围内，分别计算当前用户吞吐量与当前用户之后的所有用户的吞吐量的和值，当和值取得最大值时，返回此时的功率系数搜索范围，确定调整步长和功率等级粒度。

5.根据权利要求2所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述当前用户吞吐量采用以下方式计算：

$R_{nL}=log(1+\frac{{\mathrm{\β}}_n+L\·{\mathrm{\Δ}}_n}{\underset{k=1}{\overset{n-1}{\Σ}}{\mathrm{\β}}_k+\frac{\[N_{SB}\·(I_n+n_n)\]}{|h_n{|}^2\·P_{BS}}})$

其中，β_n为user_n的功率分配系数值，L为功率搜索范围的调整步长，Δ_n为功率等级粒度，P_BS为基站总发射功率，h_n为基站到用户n的信道响应系数，N_SB为资源总块数，I_n为小区间干扰，n_n为高斯白噪声。

6.根据权利要求2所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述当前用户之后的所有用户的吞吐量采用以下方式计算：

$R_L=\underset{m=n+1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}log(1+\frac{{\mathrm{\β}}_m}{\left(\underset{k=1}{\overset{n-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k+{\mathrm{\β}}_n+L\·{\mathrm{\Δ}}_n+\underset{k=n+1}{\overset{m-1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_k\right)+\frac{\[N_{SB}\·(I_m+n_m)\]}{|h_m{|}^2\·P_{BS}}})$

其中，β_k、β_n、β_m分别为用户k、用户n、用户m的功率分配系数值，L为功率搜索范围的调整步长，Δ_n为用户n功率等级粒度，P_BS为基站总发射功率，h_m为基站到用户m的信道响应系数，N_SB为资源总块数，I_m为小区间干扰，n_m为高斯白噪声。

7.根据权利要求1所述的基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，进一步包括将多资源块复用用户功率图样矩阵变换为多资源块复用用户功率离散图样矩阵。

8.根据权利要求7所述基于历史信息的PDMA系统功率分配方法，其特征在于，所述将多资源块复用用户功率图样矩阵变换为多资源块复用用户功率离散图样矩阵，包括：对每个非连续资源块中未分配给用户资源块的功率分配值采用零进行填充，对用户已分配的连续功率分配值直接根据非连续功率分配值的位置直接进行映射。