CN108271266B - 一种用于noma-d2d混合系统的下行用户资源分配方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于NOMA‑D2D混合系统的下行用户资源分配方法，包括：基站更新当前网络信息；基站通过分配发射功率P和带宽WC给NOMA用户以提供NOMA用户通信所需的吞吐量，并保证NOMA用户的QoS需求；基站从带宽WD中分配带宽B给NOMA用户，通过频谱交换在满足NOMA用户的QoS的同时从发射功率P中获得功率Pt_s；基站将带宽WD中剩余的带宽及功率Pt_s分配给D2D接收机，以提高D2D接收机的数据传输速率RD。本发明提供的用于NOMA‑D2D混合系统的下行用户资源分配方法，可在NOMA用户和D2D用户共存的混合系统中，当D2D发射机因能量限制而向基站卸载数据流量时，通过频谱交换，在满足NOMA用户的QoS的同时，有效提升D2D接收机的数据传输速率。

Description

一种用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法。
背景技术
随着目前数据中心相关应用的增长，移动运营商需要处理以指数速度增长的数据流量。因为D2D(Device-to-device，设备到设备)通信能够让两个收发器绕过BS(basestation，基站)直接进行无线通信，无线蜂窝网利用D2D通信，可以提高频谱效率，增加通信容量，减少传输时延和延长设备电池的寿命。由于大多数D2D收发器由电池供电，D2D发射机的寿命被电池的能量储存量所限制，因此D2D收发器的能量限制是D2D通信在实际应用时最根本的挑战之一。作为替代方案，D2D发射机可以把D2D接收机的数据流量卸载到BS，D2D接收机则直接从BS获取数据，从而不活跃的D2D发射机将不占用频谱资源，可减少D2D发射机的能量消耗。
NOMA(Non-orthogonal multiple access，非正交多址)能够解决大量的连接和频谱效率的提高问题，因而备受关注并被包括在了3GPP长期演进当中，也因其提供超高连接的潜在能力被认为是未来5G网络的解决方案之一。
在NOMA用户和D2D用户共存的混合系统中，有必要提供一种有效的资源分配方法，在D2D发射机卸载数据流量时，提高D2D接收机的数据传输速率，同时保障NOMA用户的吞吐量以保证蜂窝用户的服务质量(Quality of Service，QoS)。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其目的在于，针对NOMA用户和D2D用户共存的混合系统提供一种有效的资源分配方法，在D2D发射机卸载数据流量时，提升D2D接收机的数据传输速率，同时保障NOMA用户的吞吐量以保证蜂窝用户的服务质量。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，包括如下步骤：
(1)基站更新当前网络信息；具体包括：基站的发射功率P，分配给用户1的发射功率P1，用户1与基站之间的信道条件H1，分配给用户2的发射功率P2，用户2与基站之间的信道条件H2，基站分配给两个NOMA用户的总带宽WC，D2D接收机与基站之间的信道条件HD，以及基站分配给D2D发射机和D2D接收机的总带宽WD；其中，用户1和用户2均为NOMA用户；
(2)当信道条件满足Hi＞Hj，且i≠j，i，j∈{1，2}时，用户i和用户j中，用户i的信道条件较好；用户i对传输自基站的数据进行解码，并从解码所得的信号中剔除用户j的信号，得到用户i的信号；用户j对传输自基站的数据进行解码，得到用户j的信号，并将用户i的信号作为干扰信号；基站通过分配发射功率P和带宽WC给两个NOMA用户以提供用户i通信所需的吞吐量Ri和用户j通信所需的吞吐量Rj；
(3)基站从带宽WD中分配带宽B给NOMA用户，使得在保证用户1和用户2的吞吐量均保持不变的情况下，用户1和用户2所需的发射功率总和减少，从而通过频谱交换在满足NOMA用户的QoS的同时从发射功率P中获得功率Pt_s；基站将带宽WD中剩余的带宽及功率Pt_s分配给D2D接收机，以提高D2D接收机的数据传输速率RD。
进一步地，步骤(3)中，带宽B的取值使得D2D接收机的数据传输速率RD取最大值，此时的资源分配方法为最优方法，可以在满足NOMA用户的QoS的同时，使得D2D接收机的数据传输速率最大化。
进一步地，步骤(2)中，用户i通过执行SIC(Successive interferencecancellation，连续干扰消除)完成解码。
进一步地，步骤(2)中，用户i的吞吐量为：
Figure BDA0001584404690000031
用户j的吞吐量为：
Figure BDA0001584404690000032
其中，σ2为热噪声功率谱密度。
进一步地，步骤(3)中，通过频谱交换从发射功率P中获取到的功率为：其中，σ2为热噪声功率谱密度。
进一步地，步骤(3)中，D2D接收机的数据传输速率为：
Figure BDA0001584404690000034
其中，σ2为热噪声功率谱密度。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方法，能够取得以下有益效果：
(1)本发明提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，当D2D发射机因能量限制而向基站卸载数据流量时，通过频谱交换，即从分配给D2D发射机和D2D接收机的总带宽中分配一部分带宽给NOMA用户，从而从分配给NOMA用户的总发射功率中交换得到一部分功率，将交换得到的功率分配给D2D接收机，以提高D2D接收机的数据传输速率，满足D2D接收机的数据传输需求。该方法能够在满足NOMA用户的QoS的同时，有效提升D2D接收机的数据传输速率。
(2)本发明提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其优选方案里，通过调整用于频谱交换的带宽的取值，使得D2D接收机数据传输速率最大。该方法能够在满足NOMA用户的QoS的同时，使得D2D接收机的数据传输速率最大化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种NOMA-D2D混合网络下行链路系统模型示意图；
图2为本发明实施例提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法的流程图；
图3为本发明实施例提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法与平均分配方法的方针对比图。
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，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1所示的NOMA-D2D混合网络下行链路系统模型示意图中，包括两个NOMA用户：用户1和用户2，其中用户1到基站之间的信道条件相对于用户2到基站之间的信道条件较好；当D2D发射机因能量限制将数据流量卸载到基站时，D2D将直接从基站获取数据，此时，不活跃的D2D发射机将不占用频谱；实施例中，用户服从独立的泊松分布，根据泊松分布的特性，任何小区的几何特征都与其中一个小区一致，可将其中一个小区的分析结论扩展到蜂窝网络中的所有小区。
如图2所示，本发明实施例提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，包括如下步骤：
(1)基站更新当前网络信息；具体包括：基站的发射功率P，分配给用户1的发射功率P1，用户1与基站之间的信道条件H1，分配给用户2的发射功率P2，用户2与基站之间的信道条件H2，基站分配给两个NOMA用户的总带宽WC，D2D接收机与基站之间的信道条件HD，以及基站分配给D2D发射机和D2D接收机的总带宽WD；
(2)用户1执行SIC对传输自基站的数据进行解码，并从获取到的信号中剔除用户2的信号，得到用户1的信号；用户2对传输自基站的数据进行解码得到用户2的信号，并将用户1的信号作为干扰信号；基站通过分配发射功率P和带宽WC给NOMA用户以提供用户1通信所需的吞吐量R1和用户2通信所需的吞吐量R2；
(3)基站从带宽WD中分配带宽B给NOMA用户，使得在保证用户1和用户2的吞吐量均保持不变的情况下，用户1和用户2所需的发射功率总和减少，从而通过频谱交换在满足NOMA用户的QoS的同时从发射功率P中获得功率Pt_s；基站将带宽WD中剩余的带宽及功率Pt_s分配给D2D接收机，以提高D2D接收机的数据传输速率RD；
步骤(2)中，用户1的吞吐量为：
Figure BDA0001584404690000051
用户2的吞吐量为：其中，σ2为热噪声功率谱密度；
步骤(3)中，通过频谱交换从发射功率P中获取到的功率为：
Figure BDA0001584404690000053
D2D接收机的数据传输速率为：其中，σ2为热噪声功率谱密度；
由于D2D接收机的数据传输速率RD是带宽B的凸函数，令数据传输速率RD对带宽B的导函数RD′＝0得到关于B的方程为：
Figure BDA0001584404690000062
其中，Pt_s′为功率Pt_s对带宽B的导函数，具体为：
Figure BDA0001584404690000063
求解上述关于带宽B的方程，得到的带宽B的取值能够使得D2D接收机的数据传输速率RD取最大值，此时，为最优的分配方法。
图3所示，为实施例提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法与平均分配带宽WD给D2D用户和NOMA系统的方法相比较，两者的D2D传输速率仿真对比图；其中，当前网络信息具体为：BS的发射功率P＝2W，分配给用户1的发射功率P1＝0.1W，分配给用户2的发射功率P2＝1.9W，用户1与BS之间的信道条件H1＝-100dB，用户2与BS之间的信道条件H2＝-115.1dB，BS分配给两个NOMA用户的带宽WC＝100Hz，以及D2D接收机的信息，即D2D接收机与BS之间的信道条件HD＝-95.2dB。
图3所示的结果显示，对比于平均分配带宽WD给D2D用户和NOMA系统的方法，实施例提供的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法可更好地提高D2D的通信速率。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，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，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)基站更新当前网络信息；
所述当前网络信息包括：基站的发射功率P，分配给用户1的发射功率P1，用户1与基站之间的信道条件H1，分配给用户2的发射功率P2，用户2与基站之间的信道条件H2，基站分配给两个NOMA用户的总带宽WC，D2D接收机与基站之间的信道条件HD，以及基站分配给D2D发射机和D2D接收机的总带宽WD；其中，所述用户1和所述用户2均为NOMA用户；
(2)当信道条件满足Hi＞Hj，且i≠j，i，j∈{1，2}时，所述用户i对传输自基站的数据进行解码并从解码所得的信号中剔除所述用户j的信号，得到所述用户i的信号；所述用户j对传输自基站的数据进行解码，得到所述用户j的信号，并将所述用户i的信号作为干扰信号；基站通过分配发射功率P和带宽WC给两个NOMA用户以提供所述用户i通信所需的吞吐量Ri和所述用户j通信所需的吞吐量Rj；
(3)基站从带宽WD中分配带宽B给两个NOMA用户，使得在保证用户1和用户2的吞吐量均保持不变的情况下，用户1和用户2所需的发射功率总和减少，从而通过频谱交换在满足两个NOMA用户的QoS的同时从发射功率P中获得功率Pt_s；基站将带宽WD中剩余的带宽及功率Pt_s分配给D2D接收机，以提高D2D接收机的数据传输速率RD；
其中，用户1和用户2所需的发射功率总和减少量与从发射功率P中获得功率Pt_s相等。
2.如权利要求1所述的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)中，所述带宽B的取值使得D2D接收机的数据传输速率RD取最大值。
3.如权利要求1所述的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述用户i的吞吐量为：
Figure FDA0002230536650000021
所述用户j的吞吐量为：
Figure FDA0002230536650000022
其中，σ2为热噪声功率谱密度。
4.如权利要求1所述的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其特征在于，所述步骤(3)中，通过频谱交换从发射功率P中获取的功率为：其中，σ2为热噪声功率谱密度。
5.如权利要求1所述的用于NOMA-D2D混合系统的下行用户资源分配方法，其特征在于，步骤(3)中，D2D接收机的数据传输速率为：其中，σ2为热噪声功率谱密度。
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