CN107466097A - 一种非正交多址接入系统的功率分配方法 - Google Patents

一种非正交多址接入系统的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种非正交多址接入系统的功率分配方法，本发明提供的方法能够使非正交多址接入系统中的子载波得到有效、充分的利用，同时通过优化功率的合理分配，解决了非正交多址接入系统的可达和速率最大化的问题。

Description

一种非正交多址接入系统的功率分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种非正交多址接入系统的功率分配方法。
背景技术
在过去的数十年中，数据流量大大增加，爆炸性增加的流量问题已经成为第5代(5G)移动通信系统急需解决的关键问题之一。由于具备有效提高系统容量的特点，非正交多址(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技术被广泛认为是很有前途的多址技术。众所周知，在一个蜂窝网络内，为了避免用户间干扰，传统的正交多址接入技术不允许资源的复用，然而，在这一点上，基于非正交多址接入技术的通信系统的多个用户却可以共享相同的时间、代码和频率等通信资源，这也是基于非正交多址接入技术的通信系统比基于正交多址接入技术的通信系统具有更高传输速率的重要原因。
在基于非正交多址接入技术的通信系统中，功率、子载波等资源的分配策略也是研究的热点之一。然而，现有技术都是假设一个子载波只分配给两个或较少的用户使用，从实际应用的角度来看，这种假设不但造成通信资源的浪费，而且会较为明显地降低系统性能。因此，必须采取措施来避免资源的利用不充分和提高系统的性能。
发明内容
本发明为解决以上现有技术的非正交多址接入通信系统的功率分配方法造成资源浪费、降低系统性能等缺陷，提供了一种非正交多址接入系统的功率分配方法。
为实现以上发明目的，采用的技术方案是：
一种非正交多址接入系统的功率分配方法，包括以下步骤：
S1.在系统中根据实际应用情况设置子载波个数、每个子载波被允许共享的接收用户数、每个接收用户的最大发射功率与可达和速率收敛的设定值；
S2.获取基站到每个接收用户在子载波上的复高斯随机信道参数，并且初始化迭代系数和一组满足约束条件的功率分配方案；
S3.基于功率分配方案计算每个子载波的信道均衡因子和松弛变量；
S4.基于计算得到的子载波的信道均衡因子和松弛变量对每个子载波的功率分配方案进行优化，综合各个子载波优化后的功率分配方案得到总体优化后的功率分配方案；
S5.基于总体优化后的功率分配方案计算系统可达和速率；
S6.使用总体优化后的功率分配方案重复执行步骤S3～S5直至系统可达和速率收敛，此时把最后一次迭代得到的总体优化后的功率分配方案作为分配方案进行输出。
优选地，所述第n个子载波的信道均匀因子的计算过程表示如下：
其中k表示迭代次数，N表示子载波个数，M表示每个子载波被允许共享的接收用户数，表示第n个子载波中的第i个接收用户在k-1次迭代中被分配的功率，gm，n表示第m个接收用户在第n个子载波的信道响应，σ2表示信道的噪声功率。
优选地，所述松弛变量的计算过程如下：
其中
其中π(m，n)表示第m个用户在第n个子载波上排序后的序号。
优选地，所述基于计算得到的子载波的信道均衡因子和松弛变量对每个子载波的功率分配方案进行优化的具体过程如下：
其中Pm表示用户m的发射功率约束，Re表示取复数的实部操作。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明提供的方法能够使非正交多址接入系统中的子载波得到有效、充分的利用，同时通过优化功率的合理分配，解决了非正交多址接入系统的可达和速率最大化的问题。
附图说明
图1为非正交多址接入系统的模型图。
图2为本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统等功率分配方案在系统可达和速率的对比图。
图3为本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统正交多址接入方案在强、弱用户可达和速率区域性能上的对比图。
图4为方案的流程图。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
以下结合附图和实施例对本发明做进一步的阐述。
实施例1
参照图1，本发明适用的非正交多址接入系统的系统模型由一个基站和M个接收用户组成，每个节点都只有单根天线。系统的整个带宽被划分成N个子载波，并且每个子载波允许被M个用户共享。在每个子载波上，来自基站的发射信号经历平坦信道衰落。在第n个子载波上，从基站到第m个用户的信道响应表示为hm，n，其中，假设基站端能够完全知道整个网络系统的信道状态信息(Channel State Information，CSI)。因此，基站能够适当地分配其发射功率以增加整个网络的可达和速率。
由非正交多址接入(NOMA)协议可知，发送端采用叠加编码技术，因此基站端位于第n个子载波上的发送信号为：
其中sm，n 分别表示基站给第m个用户在第n个子载波上的发送信号和对应的发送功率，并且有
不失一般性，在第n个子载波上，本文假设信道响应重新排序为：
其中
gm，n＝hπ(m，n)，n (3)
π(m，n)表示第m个用户在第n个子载波上排序后的序号，这种排序方式必须严格满足公式(2)。根据NOMA协议，为准确译码所有用户信息，串行干扰消除(SuccessiveInterference Cancellation，SIC)在所有用户上执行。在第n个子载波上，用户π(m，n)将解码用户π(i，n)的信号，其中1≤i＜m≤M，然后从其接收的信号中去除解码信号，通过这种连续的方式所有用户的信息得到解码。
执行串行干扰消除后，用户π(m，n)在第n个子载波上的剩余接收信号为：
其中，表示用户π(m，n)在第n个子载波上的高斯白噪声，且用户π(m，n)在第n个子载波上的分配功率满足：
qm，n＝pπ(m，n)，n· (5)
因此，用户π(m，n)在第n个子载波上的可达速率为：
其中，
非正交多址接入系统中，满足每个用户发射功率约束前提下，最大化系统和速率问题可以建模为：
其中，Pm表示用户m的发射功率约束。
为了简化问题，首先有以下命题。
命题1：令a是一个是一个正标量，且那么可得：
并且其右边的最优解为：
证明：因为f(a)是凹函数，所以可以通过令来得到(9)式右边的最优解。
对于第n个子载波上用户π(m，n)，我们定义如下均方误差去估计sπ(m，n)，n：
其中，表示信道均衡因子。把yπ(m，n)，n代入(10)，有
由凸优化知识，可知能使eπ(m，n)，n最小化的最优cπ(m，n)，n可以表示成：
把(12)代入(11)，可得：
再由矩阵求逆引理(Matrix Inversion Lemma)：
(A+BCD)-1＝A-1-A-1B(I+CDA-1B)-1CDA-1 (14)
可得，
最终，利用命题1和(15)，问题(8)被等价地转化为均方误差最小化问题：
其中，am，n为引入的松弛变量。注意到当am，n和cm，n取得最优值时，(16)的目标函数是接下来，把上面问题(16)解耦成三个优化子问题，并采用交替迭代方法分别求解信道均衡因子、松弛变量和功率分配。
在第k次迭代中，给定一组第(k-1)次迭代时求得的最优功率值 首先求解第k次迭代最优信道均衡因子：
不难发现，问题(17)的闭式解为表达式为(12)。把代入(11)，可得eπ(m，n)，n在第k次迭代的最优值，表示为
在求得后，它表示在第k次迭代最优值，通过求解下面问题：
来得到松弛变量am，n在第k次迭代时的最优值。根据命题1，以上问题(18)的闭式解为
在求得第k次迭代的最优值和之后，来求解功率分配问题：
其中，
上面优化问题(20)是关于变量qm，n的一个凸优化问题，可以使用Matlab中CVX工具箱直接求解。
本发明提供的方法在以上的基础上，其具体的步骤如下：
步骤0：设置系统参数；
步骤1：初始化迭代系数k＝0，给定一组满足约束条件的功率分配
步骤2：设置k＝k+1；
步骤3：计算信道均衡因子和松弛变量：
for n＝1：N
for m＝1：M
计算
计算
其中，
end for
end for
步骤4：优化功率的分配，通过求解以下问题：
其中，
步骤5：计算系统可达和速率，并检验是否收敛，若收敛，结束此过程并得到最优的功率分配方案；否则设置并跳转到步骤2。
实施例2
本发明效果可以通过下面仿真实验结果进一步说明，仿真实验的基本流程参照图4。
对于图2和图3，其对应的系统的子载波数目N＝16，接收用户个数M＝2。在所有子载波上，从基站到用户1的信道响应是均值为0、方差为δ2的独立同分布复高斯随机变量；从基站到用户2的信道响应是均值为0和方差为1的独立同分布复高斯随机变量。通过限制δ2≤1，分别表示用户1和用户2为弱用户和强用户。因此，在所有子载波上弱用户的可达和速率表示为强用户的则为
图2是对于不同信道响应的方差，给定P1＝19dB，本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统等功率分配方案在系统可达和速率的对比，图2表明本发明提供的方法得到的功率分配方案明显优于等功率分配方案。
对于不同信道响应的方差，基站端总发射功率与噪声功率的比值为(P1+P2)/σ2＝20dB，本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统正交多址接入方案在强、弱用户可达和速率区域性能上的对比如图3所示，从图3可以看出，在R1>0和R2>0时，本发明提供的方法得到的功率分配方案优于传统正交多址接入方案。特别地，本发明提供的方法得到的功率分配方案可以向强用户提供非常合理的可达和速率，同时使弱用户速率接近于单用户上界，这一点体现了本发明提供的方法得到的功率分配方案不但具有较大可达和速率区域，而且考虑了强弱用户间的公平性。所以不难看出，本发明提供的方法得到的功率分配方案的性能优于传统正交多址接入方案。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1.在系统中根据实际应用情况设置子载波个数、每个子载波被允许共享的接收用户数、每个接收用户的最大发射功率与可达和速率收敛的设定值；
S2.获取基站到每个接收用户在子载波上的复高斯随机信道参数，并且初始化迭代系数和一组满足约束条件的功率分配方案；
S3.基于功率分配方案计算每个子载波的信道均衡因子和松弛变量；
S4.基于计算得到的子载波的信道均衡因子和松弛变量对每个子载波的功率分配方案进行优化，综合各个子载波优化后的功率分配方案得到总体优化后的功率分配方案；
S5.基于总体优化后的功率分配方案计算系统可达和速率；
S6.使用总体优化后的功率分配方案重复执行步骤S3～S5直至系统可达和速率收敛，此时把最后一次迭代得到的总体优化后的功率分配方案作为分配方案进行输出。
2.根据权利要求1所述的非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于：所述第n个子载波的信道均匀因子的计算过程表示如下：
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其中k表示迭代次数，N表示子载波个数，M表示每个子载波被允许共享的接收用户数，表示第n个子载波中的第i个接收用户在k-1次迭代中被分配的功率，gm，n表示第m个接收用户在第n个子载波的信道响应，σ2表示信道的噪声功率。
3.根据权利要求2所述的非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于：所述松弛变量的计算过程如下：
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其中
其中π(m，n)表示第m个用户在第n个子载波上排序后的序号。
4.根据权利要求3所述的非正交多址接入系统的功率分配方法，其特征在于：所述基于计算得到的子载波的信道均衡因子和松弛变量对每个子载波的功率分配方案进行优化的具体过程如下：
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其中Pm表示用户m的发射功率约束，Re表示取复数的实部操作。
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