CN107231684B - 基于最大容量的scma系统三级功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种优化了系统吞吐量性能及提高系统能量利用率的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，属于通信技术领域。所述方法包括：步骤一、进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数；步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

Description

基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法

技术领域

本发明涉及一种SCMA系统的功率分配方法，属于通信技术领域。

背景技术

稀疏码多址接入(SCMA)是一种新型的非正交多址接入方式，是针对于高频谱利用效率而提出来的一种高速率传输技术，该空口技术目前已被列为5G移动通信候选标准之一，相比于传统的正交多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时也克服了CDMA远近效应的不足。虽然SCMA技术在频谱效率有了很大的提升，但由于星座点更为密集，从而造成了一定程度上的误码率的下降。

另外，在系统功率分配方面，目前对于SCMA的研究尚未完善，现有文献中主要采用的还是平均功率分配算法，该算法是在不考虑信道衰落情况下进行分配的，只是将总功率平均分配给各个用户，虽然实现简单，但系统吞吐量性能难以达到最优，而且系统能量利用率较低。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有平均分配功率的方法使系统吞吐量性能难以达到最优，且系统能量利用率较低的问题，本发明提供一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法。

本发明的一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；

步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；

步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；

步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

优选的是，所述步骤一中，进行单用户载波间功率分配时，为了满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致，分配功率因子α_n应当满足：

α₁p_s,rh_s,r,1＝α₂p_s,rh_s,r,2＝…＝α_Np_s,rh_s,r,N

其中，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，p_s,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。

优选的是，所述步骤二包括如下步骤：

步骤二一：建立用户组内功率分配的优化模型，设定目标函数与约束条件，选取拉格朗日乘子初值，设置迭代次数l＝1和最大迭代次数L；

所述用户组内功率分配的优化模型为：

R表示组内用户的数量；

w^r表示用户r的加权因子；

表示用户r的噪声方差；

C₁～C₃分别表示三个约束条件；

R^req表示最小数据需求速率，P^max表示该用户组分配的最大传输功率；

α_n表示分配功率因子，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，p_s,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量；

步骤二二：利用凸优化理论对步骤一的用户组内功率分配的优化模型进行求解，获取最优分配功率表达式：

λ_r和μ_r分别表示用户r中的约束条件C₁的拉格朗日乘子和约束条件C₂的拉格朗日乘子；

[x]⁺＝max(0,x)；

步骤二三：根据当前的拉格朗日乘子和步骤二二中的最优分配功率表达式计算用户的分配功率值，并更新拉格朗日乘子：

其中，R_r(l)表示用户r在第l次迭代时的数据速率，λ_r(l)用户r在第l次迭代时约束条件C₁的拉格朗日乘子，μ_r(l)表示用户r在第l次迭代时约束条件C₂的拉格朗日乘子，p_s,r(l)表示用户r在第l次迭代时所分配得到的功率，β_r为迭代步长；

步骤二四：当更新后的拉格朗日乘子收敛或者当前迭代次数达到L，则利用此时的分配功率值进行组内用户间功率分配，否则l＝l+1，转入步骤二三。

优选的是，所述步骤四中，所述组间容量与分配功率的优化模型为：

S表示SCMA系统中用户组的数量，a_s、b_s和c_s分别表示步骤三中拟合出二次函数的参数值，

p_s表示用户组s的最优分配功率；

P^tot表示基站最大传输功率；

表示用户组s中用户r的噪声方差；

R^req表示最小数据需求速率；

α_n表示分配功率因子，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，p_s,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。

上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本发明的目的。

本发明的有益效果在于，本发明针对于单小区多用户的SCMA系统下行链路，在满足所有用户的最小速率要求下，以最大化系统总容量为目标，建立下行链路功率分配问题的最优化数学模型，并利用凸优化理论和曲线拟合方法对该优化问题进行分析求解，根据求解出的最优分配功率依次进行单用户、组内和组间的用户间的功率分配，实验效果证明，相比于各用户平均分配功率的方式，本发明所提的容量最大化功率分配算法在总容量上有明显提高，此外，还可以看到整个SCMA用户组的总容量随着最优分配功率的增大而相应得到提升，且系统总容量随基站发射总功率的增加而增大，本发明使系统吞吐量性能达到最优，且提高了系统能量利用率。

附图说明

图1为本发明的流程示意图。

图2为执行步骤二后组内用户间功率分配收敛特性曲线示意图。

图3为执行步骤二后组内用户间功率分配容量性能效果图。

图4为执行步骤三后二次拟合后的曲线示意图。

图5为执行步骤四周组间功率分配后的吞吐量性能效果图。

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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

本实施方式针对于蜂窝网络中一个单小区多用户的SCMA下行链路进行分析，该小区有一个基站和S个用户组，每个用户组中包含R个用户，共占用了N个相互正交的子载波，本实施方式中采用的过载系数为1.5，故R＝1.5N，任何一个用户均占用一个SCMA层，同时使用一套码本。用户间则相互共享层上的时频资源，从而实现多用户多址接入的目的。而码本的大小则是由码字长度和非零元素的个数共同来决定的。

在SCMA系统的解码中，最大似然解码是最优的解码算法，但考虑到接收机的复杂度以及SCMA码字的稀疏特性，接收机可以通过MPA算法来实现多用户检测的功能，从而直接降低SCMA接收机的解码复杂度。理想情况下，可以认为不同SCMA层的码字间是不存在干扰的，因此分配到不同层的码字可以视为是正交的。即在理想的MPA接收和理想的同步情况下，SCMA系统中存在的的多用户干扰可以完全忽略。

SCMA用户组中功率分配向量可以表示为P＝(p_s,r)_S×R，其中用户组s中的用户r分配得到的功率为p_s,r。因此得到基站发射的总功率为：

记用户组s中的用户r在该组中的子载波n上所分配的功率比例因子为α_n，取值满足0<α_n<1，且

此时该用户的信噪比可记作：

其中，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，

表示子载波n上用户r的噪声功率，噪声为加性高斯白噪声。

根据香农公式，用户k可以达到的理论数据速率R_s,r为：

R_s,r＝log₂(1+SNR_s,r) (3)

本实施方式结合SCMA技术自身特性，针对于SCMA系统提出了三级功率分配方案，分别是：单用户载波间功率分配、组内用户间功率分配和组间功率分配。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

结合图1说明本实施方式，本实施方式所述的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，包括如下步骤：

步骤一、单用户载波间功率分配：

每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；

步骤二、组内用户间功率分配：

建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；

步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；

步骤四、用户组间功率分配：

根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

优选实施例中，基于载波间容量均等化准则，进行单用户载波间功率分配：

在SCMA系统中，每个用户占用多个子载波，而每个子载波上承载多个用户的信息，由于每个用户在多个子载波上传输的信息是利用的分集的思想，即被同一用户占用的子载波上传输的是相同的信息，因此该用户的传输速率或容量取决于其占用的子载波中速率最低或容量最小的子载波。

因此，从最大化系统容量和节省系统总功率的角度考虑，在单用户载波间功率分配的准则应使得同一用户占用的子载波上容量保持一致，因此分配的功率因子α_n应当满足：

α₁p_s,rh_s,r,1＝α₂p_s,rh_s,r,2＝…＝α_Np_s,rh_s,r,N (4)

其中，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，p_s,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。

优选实施例中，组内用户间功率分配：

本实施方式每个SCMA系统中的用户组中有6个用户，占用4个子载波。在组内用户间功率分配时，选取任一SCMA系统的用户组进行分析，故该部分省去部分变量的下角标s。下面考虑在用户QoS需求和最大传输功率等约束条件限制下，建立用户组内功率分配的优化模型如下：

其中w^r为用户r的加权因子，R^req为最小业务需求速率，P^max为该用户组分配的最大传输功率，

表示用户r的噪声方差。

以上目标函数的物理意义：在固定码本的前提下，最大化该用户组中所有用户的容量的算术和，并且满足如下3个限制条件，包括：约束条件C₁要求组内每个用户的传输速率满足业务需求的最小保证速率；约束条件C₂是指用户组所分配功率为P^max，即组内用户的分配功率和受限；约束条件C₃要求用户分配的功率具有非负性。

已经证明该优化问题是一个凸优化问题，可以借助对偶分解的方法来对其最优解进行求解。该凸问题的拉格朗日函数可写为：

其中λ＝(λ₁,λ₂,…,λ_R)和μ＝(μ₁,μ₂,…,μ_R)是设定的拉格朗日乘子。λ_r和μ_r分别表示用户r中的约束条件C₁的拉格朗日乘子和约束条件C₂的拉格朗日乘子；

该问题的对偶问题可以表示为:

利用KKT条件，对式(6)求取偏导，并使其等于0，即：

求解式(8)可以计算出最优功率为

其中[x]⁺＝max(0,x)。而对于拉格朗日乘子，可以根据次梯度算法，采用下式进行更新。

其中，R_r(l)表示用户r在第l次迭代时的数据速率，λ_r(l)用户r在第l次迭代时约束条件C₁的拉格朗日乘子，μ_r(l)表示用户r在第l次迭代时约束条件C₂的拉格朗日乘子，p_s,r(l)表示用户r在第l次迭代时所分配得到的功率，β_r为迭代步长。通过梯度算法，经过一定次数的迭代，拉格朗日乘子和最有分配功率值达到收敛之后，便可以得到公式(5)的最优解。

步骤二具体包括如下步骤：

步骤二一：根据上述建立的用户组内功率分配的优化模型及设定目标函数与约束条件，选取拉格朗日乘子初值，设置迭代次数l＝1和最大迭代次数L；

步骤二二：根据当前的拉格朗日乘子和公式(9)计算用户的分配功率值，并公式(10)和公式(11)更新拉格朗日乘子；

步骤二三：当更新后的拉格朗日乘子收敛或者当前迭代次数达到L，则利用此时的分配功率值进行组内用户间功率分配，否则l＝l+1，转入步骤二二。

优选实施例中，步骤四中，根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；

由于组内用户功率分配的优化解是通过迭代求解得到的，因此没有办法通过解析的形式得到系统容量与最优分配功率值的函数表达式，但通过仿真可以得到容量与最优分配功率的对应数值，然后采用曲线拟合的手段近似计算出对应关系式，通过对拟合逼近度与计算复杂度进行折中考虑，本实施方式选取二次函数y＝ax²+bx+c作为拟合函数，此时系统总容量可写为：

a_s、b_s和c_s分别表示步骤三中拟合出二次函数的参数值，s＝1,…,S，p_s表示用户组s的最优分配功率；

考虑在用户QoS需求和最大传输功率等约束条件限制下，可以建立优化模型如下：

其中a_s、b_s和c_s表示根据组内用户功率分配方案拟合出的二次函数的参数值，针对于不同的SCMA用户组可以拟合出相应地容量与功率之间的函数表达式，R^req是满足用户组s中用户r的最小数据需求速率，P^tot指基站最大传输功率。

以上目标函数的物理意义：在固定码本的前提下，最大化网络中所有用户的容量的算术和，并且满足以下3个限制条件，即：约束C₁表示基站发射总功率受限；约束C₂保证每个用户的数据速率达到其最小速率需求；约束C₃表示用户分配的功率具有非负性。由于该模型为经典凸问题模型，可以直接利用MATLAB工具箱进行求解。

根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

借助于Matlab软件对本实施方式所提出的最大化系统容量的SCMA功率分配方法进行仿真以评估其性能。仿真参数如表1所示：

表1仿真参数设置表

仿真参数	设置值
		子载波个数	12
SCMA分组数	3
		码本数目	6
过载系数	1.5
		最小速率	64kbps
子载波带宽	30kHz
		小区半径	500
基站发射功率	46
		路损模型	PL<sub>LOS</sub>＝103.4+24.2lg(R)
阴影衰落标准差	10dB
		迭代次数	2000
加权因子	1

本实施方式中，采用如上仿真参数，图2是执行步骤一和步骤二的组内用户间功率分配得到的收敛特性曲线，该仿真考虑的是单一SCMA用户组，其中包含6个用户，共占用4个子载波，其中基站最大传输功率为27W，满足各用户QoS要求的最小速率为64kbps。从图2中可看出，在迭代的初期出现明显抖动，但本实施方式基本在迭代500次后达到收敛，从而根据收敛的功率值求得组内各个用户分配的功率。

图3给出了本实施方式容量最大化分配方法的容量与用户组分配功率间的对应关系变化曲线，为充分表现本实施方式的优越性，在图3中也画出了采用平均功率分配方法时的关系曲线，各用户最小业务需求速率仍然为64kbps。从图3中仿真结果可以得出结论，相比于各用户平均分配功率的方式，本实施方式的容量最大化功率分配方法在总容量上有明显提高，此外，还可以看到整个SCMA用户组的总容量随着用户组分配功率的增大而相应得到提升。

在完成组内用户间功率分配后，要对所有用户组中容量与最优分配功率关系曲线进行拟合，这里选用二次函数进行拟合，图4为拟合函数的曲线与原数据的对比图。由于横坐标功率在实际系统中是有取值范围的，一般在5W-25W之间，从图中可以看出在功率5W-25W的范围内曲线拟合良好，因此在后续的研究中完全可以使用二次拟合的函数来代替原数据。

图5为本实施方式执行步骤四后的组间功率分配的吞吐量性能仿真曲线，同时也仿真了各个用户组采用功率平均分配方式的情况以进行对比，为公平起见，两种方案中各组内用户间的功率分配方案均采用了本实施方式的组内用户间容量最大化方法。由仿真图5可以看出，本实施方式所提出的组间功率分配方案较之于平均功率分配方法在系统容量上有了一定提升，且系统总容量随基站发射总功率的增加而增大。

虽然在本文中参照了特定的实施方式来描述本发明，但是应该理解的是，这些实施例仅仅是本发明的原理和应用的示例。因此应该理解的是，可以对示例性的实施例进行许多修改，并且可以设计出其他的布置，只要不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围。应该理解的是，可以通过不同于原始权利要求所描述的方式来结合不同的从属权利要求和本文中所述的特征。还可以理解的是，结合单独实施例所描述的特征可以使用在其他所述实施例中。

Claims (2)

1.一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，所述方法包括如下步骤：

步骤一：进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；

步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；

步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；

步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配；

所述步骤二包括如下步骤：

步骤二一：建立用户组内功率分配的优化模型，设定目标函数与约束条件，选取拉格朗日乘子初值，设置迭代次数l＝1和最大迭代次数L；

所述用户组内功率分配的优化模型为：

s.t.C₁:

C₂:

C₃:

R表示组内用户的数量；

w^r表示用户r的加权因子；

表示用户r的噪声方差；

C₁～C₃分别表示三个约束条件；

R^req表示最小数据需求速率，P^max表示该用户组分配的最大传输功率；

α_n表示分配功率因子，h_s,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，p_s,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量；

表示子载波n上用户r的噪声功率，w^r为用户r的加权因子；

步骤二二：利用凸优化理论对步骤一的用户组内功率分配的优化模型进行求解，获取最优分配功率表达式：

λ_r和μ_r分别表示用户r中的约束条件C₁的拉格朗日乘子和约束条件C₂的拉格朗日乘子；

[x]⁺＝max(0,x)；

步骤二三：根据当前的拉格朗日乘子和步骤二二中的最优分配功率表达式计算用户的分配功率值，并更新拉格朗日乘子：

其中，R_r(l)表示用户r在第l次迭代时的数据速率，λ_r(l)用户r在第l次迭代时约束条件C₁的拉格朗日乘子，μ_r(l)表示用户r在第l次迭代时约束条件C₂的拉格朗日乘子，p_s,r(l)表示用户r在第l次迭代时所分配得到的功率，β_r为迭代步长；

步骤二四：当更新后的拉格朗日乘子收敛或者当前迭代次数达到L，则利用此时的分配功率值进行组内用户间功率分配，否则l＝l+1，转入步骤二三；

所述步骤四中，所述组间容量与分配功率的优化模型为：

s.t.C₁:

C₂:

C₃:

S表示SCMA系统中用户组的数量，a_s、b_s和c_s分别表示步骤三中拟合出二次函数的参数值，

p_s表示用户组s的最优分配功率；

P^tot表示基站最大传输功率。

2.根据权利要求1所述的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，其特征在于，所述步骤一中，进行单用户载波间功率分配时，为了满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致，分配功率因子α_n应当满足：

α₁p_s,rh_s,r,1＝α₂p_s,rh_s,r,2＝...＝α_Np_s,rh_s,r,N。

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