CN108521668B - 适用于5g网络noma系统的注水功率分配优化方法 - Google Patents

适用于5g网络noma系统的注水功率分配优化方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，基站根据覆盖范围、用户分布及用户数M，将子载波的功率划分成M个功率区块，构建每个子载波的功率区块向量，构建由N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵；基于子载波功率分配矩阵，将功率分配优化目标确定为在第k个功率区块获得子载波的最大传输速率；将未分配的功率区块的功率分配为0，已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为最小功率，采用线性注水功率分配算法，计算得到同一子载波上所有功率区块的功率；进而计算得到所有用户在各子载波上的功率。本发明能够实现各用户在各子载波上的功率分配的快速及优化，提高整个通信系统的性能。

Description

适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法
技术领域
本发明涉及一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，属于移动通信技术领域。
背景技术
第四代移动通信技术(4G)的多址复用方式基于正交频分多址接入技术(Orthogonal Frequency Division Multiple Access，OFDMA)，从多用户信息论的角度看，正交频分多址方式只能达到多用户容量界的内界。第五代移动通信技术(5G)定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，需要研究更加先进的多址接入技术以获得更高的频谱效率。
在现有5G网络的多址接入技术研究中，非正交多址(Non-Orthogonal MultipleAccess，NOMA)被认为是非常有前途的一种方案。NOMA可以在功率域由多个用户共享，将一个子载波分配给多个用户。在某些场景中，比如远近效应场景和广覆盖多节点接入场景，采用功率复用的非正交接入多址方式相较于传统的正交接入有明显的性能优势，更适合未来通信系统的部署。NOMA在接收端系统采用干扰消除(Successive InterferenceCancellation，SIC)技术区分不同用户，具有更高的频谱利用率。
NOMA系统的功率分配算法是技术核心之一，发送端的功率分配将直接影响接收端解码的性能和用户的信道容量。现有的功率分配方法主要包括：
经典注水功率算法，其不采用直接求解拉格朗日因子的方法去求解各子载波上所分配的功率，而是对注水线赋初值，并用迭代的方法找到最优注水线，从而完成功率分配的过程，然而，多次迭代会导致收敛时间较长，影响系统整体性能。
线性注水功率分配算法，其不需要通过多次迭代就能完成功率的最优化分配。如果某些信道状态不理想，则在其上分配的功率会出现负值，算法在这些信道上不分配功率。而在NOMA系统中，由于每个用户的信号分配到不同的子载波上，对于同一子载波，要求复用每个用户的信号，这就要求不同用户的信号功率应具有一定的差异，才能保证接收端的SIC接收机正确解调，因而，直接采用线性注水算法会出现同一载波不同用户之间的功率差无法满足SIC接收机正确解调的问题。
发明内容
鉴于上述原因，本发明的目的在于提供一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，通过构建子载波功率分配矩阵，确定优化目标，采用线性注水功率分配算法计算得到功率，能够实现各用户在各子载波上分配功率的快速及优化，提高整个通信系统的性能。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，包括：
根据用户数M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，其中：基站根据其覆盖范围的状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，每个用户占用子载波i上的一个功率区块，对于每个子载波，构建功率区块向量Di＝{Di1，Di2，...，DiM}，其中，为保证接收端的SIC接收机能够正确解调，定义|Di(m+1)-Dim|＞δi(m+1)，δi(m+1)为系统设定的第m+1个功率区块与前一个功率区块的保护功率差值，m∈{1，2，...，M}；在接收端，采用NOMA串行干扰消除方法进行信号解码，SIC接收机根据接收的各信号，按照功率从大到小排序，从各信号中选择出功率最强的信号进行检测，对最强的信号进行重构后，从总信号中去除重构出的信号，如此循环上述检测、重构、去除过程，直到检测出发送给用户m的信号为止，检测到发送给用户m的信号后，比用户m的信号弱的用户{m+1，...，M}的信号不再检测，从而无法去除，则这部分信号对于用户m的信号成为噪声，从而用户m能够达到的速率Rm为
Figure GDA0002734439070000021
其中，
Figure GDA0002734439070000022
为附加噪声的方差，pm为分配给用户m的功率，hm为基站到用户m的信道增益；
根据每个子载波的功率区块向量，构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：
Figure GDA0002734439070000023
其中，Dim表示在子载波i上，用户m分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}；
确定功率分配优化目标为在第m个功率区块获得子载波i的最大传输速率，
采用线性注水功率分配算法计算同一子载波上各功率区块的功率，包括：
将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，剩余的功率通过以下公式计算得到：
Figure GDA0002734439070000031
其中，Pi m为子载波i上第m个功率区块的功率，a为对应用户m的第m列功率区块中信噪比最差的子载波编号，
Figure GDA0002734439070000032
为子载波a上第m个功率区块的功率，
Figure GDA0002734439070000033
为子载波a的干扰噪声的方差，
Figure GDA0002734439070000034
为子载波i的干扰噪声的方差，
Figure GDA0002734439070000035
是子载波a上第m个功率区块的信道增益，
Figure GDA0002734439070000036
是子载波i上第m个功率区块的信道增益。
计算各子载波上所有功率区块的功率，得到所有用户在各子载波上分配的功率，将各子载波分别对应的各功率区块的功率进行加合，形成各子载波的信号。
用户向基站发送包括位置、接收信号强度、信噪比的反馈信息，基站根据该反馈信息，更新为该用户分配的功率区块，并将分配结果向所有用户广播。
本发明的优点是：
1、本发明的注水功率分配优化方法，构建子载波功率分配矩阵，确定同一列的功率区块为优化目标，保证了相同列的功率区块具有相似的功率，在保证接收端正常解调的前提下，能够实现各用户在各子载波上对应的功率区块实现功率优化；
2、本发明的注水功率分配优化方法，通过终端反馈信息，为其更新分配合适的功率区块，在保证接收端正常解调的前提下，能够简化NOMA系统的功率分配过程，提高功率分配优化速度；
3、本发明的注水功率分配优化方法，将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，能够避免现有算法因存在负功率而影响NOMA系统正常工作的问题；
4、本发明的注水功率分配优化方法，在满足NOMA系统的工作原理、保证接收端正常解调的基础上，能够实现各用户在各子载波上的功率分配的快速及优化，提高整个通信系统的性能。
附图说明
图1是本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明做进一步详细的描述。
如图1所示，本发明公开的适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，包括如下步骤：
S1：构建子载波功率分配矩阵；
S11：对于每个子载波，构建功率区块向量；
基于NOMA系统的工作原理，对于M个用户中任意一个用户m∈{1，2，…，M}，其所接收到的信号ym是所有用户的信号经过信道衰减后形成的叠加信号，表示为：
Figure GDA0002734439070000041
其中，sj为发送给用户j的信号，j∈{1，2，…，M}，P为基站信号发送总功率，αj为用户j的功率分配系数，nm为附加噪声，hm为基站到用户m的信道增益，其计算公式为：
Figure GDA0002734439070000042
其中，gm为瑞利信道增益，dm为基站到用户m的距离，γ为衰减因数。
在接收端，采用NOMA串行干扰消除(SIC)方法进行信号解码。SIC接收机根据接收的各信号，按照功率从大到小排序，从各信号中选择出功率最强的信号进行检测，对最强的信号进行重构后，从总信号中去除重构出的信号，如此循环上述检测、重构、去除过程，直到检测出发送给终端(用户m)的信号为止。
检测到发送给用户m的信号后，比用户m的信号弱的用户{m+1，...，M}的信号不再检测，从而无法去除，则这部分信号对于用户m的信号成为噪声，这样，用户m能够达到的速率Rm为：
Figure GDA0002734439070000043
其中，
Figure GDA0002734439070000044
为附加噪声的方差，pm为分配给用户m的功率。
根据上述SIC的原理，NOMA系统的功率分配必须保证同一子载波上的所有用户在接收端具有一定的功率差值，否则SIC接收机将无法进行识别，从而不能正常解调。
基于上述原理，基站根据其覆盖范围的状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，每个用户占用子载波i上的一个功率区块，对于每个子载波，构建如下功率区块向量：
Di＝{Di1，Di2，...，DiM} (4)
其中，为保证接收端的SIC接收机能够正确解调，定义|Di(m+1)-Dim|＞δi(m+1)，δi(m+1)为系统设定的第m+1个功率区块与前一个功率区块的保护功率差值，m∈{1，2，...，M}。
S12：构建子载波功率分配矩阵
根据每个子载波的功率区块向量，构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：
Figure GDA0002734439070000051
其中，Dim表示在子载波i上，用户m分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}。
S2：基于子载波功率分配矩阵，进行线性注水功率分配优化
本发明通过对每个子载波划分功率区块，对不同子载波的相同功率区块进行注水功率分配优化，方法具体为：
S21：确定优化目标
根据公式(5)所示的子载波功率分配矩阵，将用户j对应的第k列功率区块作为优化目标：
Figure GDA0002734439070000052
其中，
Figure GDA0002734439070000053
表示Δk的转秩，k∈{1，2，…，M}。
即，将功率分配优化目标确定为在第k个功率区块Δk获得子载波i的最大传输速率Rk，表示为：
Figure GDA0002734439070000054
可以等效为如下最优化问题：
Figure GDA0002734439070000055
对应的约束条件是：
s.t.
Figure GDA0002734439070000056
其中，s.t.表示受限于。
Figure GDA0002734439070000057
为基站到用户j，即基站在子载波i的第k个功率区块的信道增益，
Figure GDA0002734439070000058
为子载波i上的干扰噪声的方差，Pi k为在子载波i上分配给第k个功率区块的发送功率，Pt k为对应第k列功率区块的总功率(指所有子载波上对应第k个功率区块的发送功率之和)，Dk为对应用户j的第k列功率区块。
以公式(8)为目标函数，公式(9)为约束条件，得到拉格朗日方程为：
Figure GDA0002734439070000061
令
Figure GDA0002734439070000062
得到：
Figure GDA0002734439070000063
其中μk为对应第k个功率区块的常数，称为第k个功率区块的注水水面高度，a+表示max(a，0)。
S22：基于确定的优化目标，进行线性注水功率分配优化
根据NOMA的工作原理，由于不同用户在不同子载波上按照功率大小进行区分，若对同一个子载波实施注水优化，会破坏同一个用户在各个子载波上的功率对应关系，从而使得SIC接收机对多个子载波解调统一用户信号时，出现不同用户信号混杂的问题。
由于涉及每个子载波的每个功率区块的优化，为提高收敛速度，本发明实施例采用线性注水功率分配算法，其不需要通过多次迭代就能完成功率的最优化分配。根据公式(11)得：
Figure GDA0002734439070000064
从而得到：
Figure GDA0002734439070000065
其中，a、b为用户j对应的第k个功率区块所处的任意两个子载波。公式(13)表示已知一个子载波的功率区块的功率，即可依次推导出其他子载波的功率区块的功率。
首先，将未分配的功率区块的功率设置为0，然后，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率配置为
Figure GDA0002734439070000071
其为NOMA系统中，接收端解调所需最小功率。
则，其他的功率区块的功率通过以下公式计算得到：
Figure GDA0002734439070000072
其中，hj为基站到用户j的信道增益，pj为分配给用户j的功率，a为对应用户k的第k列功率区块中信噪比最差的子载波编号；
Figure GDA0002734439070000073
为子载波a的干扰噪声的方差，
Figure GDA0002734439070000074
为子载波i的干扰噪声的方差。
Figure GDA0002734439070000075
为子载波a上第k个功率区块分配的功率，
Figure GDA0002734439070000076
是子载波a上第k个功率区块的信道增益，
Figure GDA0002734439070000077
是子载波i上第k个功率区块的信道增益。
计算完成，即可得到同一子载波上所有功率区块的功率。
进一步地，利用步骤S22所述方法，计算各子载波上所有功率区块的功率，得到所有用户在各子载波上的优化功率；各子载波将对应的各功率区块的功率进行加法合并，最终形成各子载波的信号。
上述注水功率分配优化方法中，由于用户处于移动过程中，用户对应划分的功率区块也需要根据所处环境进行实时更新，具体包括：
1)基站根据其覆盖范围的状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波i的功率Pi划分功率向量Di；
2)终端用户UE发起呼叫请求，基站BS向UE发送功率测试信号；
3)终端用户UE接收功率测试信号，将自身的位置、接收信号强度和信噪比等信息以反馈信息发送给基站BS；
4)基站BS根据接收的终端用户UE的反馈信息，为该终端用户UE分配占用一个功率区块，并将分配方案向小区内所有用户广播，以便各终端用户UE均可解调信号；
5)终端用户UE通信期间，基站BS定期向各终端用户发送功率测试信号，以对终端用户UE由于移动而造成的环境改变而进行跟踪及更新；
6)若基站BS检测到终端用户UE的环境变化超过预设的临界值，则重新为该终端用户UE分配功率区块，并对各功率区块进行重新划分，之后将重新划分的功率区块向小区内各终端用户进行广播。
本发明的适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，首先，基站根据其覆盖范围状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波的功率划分成M个功率区块，每个用户分配子载波上的一个功率区块，构建每个子载波的功率区块向量，在此基础上，构建由N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵；然后，基于构建的子载波功率分配矩阵，将功率分配优化目标确定为在第k个功率区块获得子载波的最大传输速率；之后，将未分配的功率区块的功率设置为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配最小功率，进一步采用线性注水功率分配算法，得到同一子载波上所有功率区块的功率；同理，计算得到所有用户在各子载波上的优化功率，将各子载波分别对应的各功率区块的功率进行加法合并，最终形成各子载波的信号。
以上所述是本发明的较佳实施例及其所运用的技术原理，对于本领域的技术人员来说，在不背离本发明的精神和范围的情况下，任何基于本发明技术方案基础上的等效变换、简单替换等显而易见的改变，均属于本发明保护范围之内。

Claims (3)

1.一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，包括：
根据用户数M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，其中：基站根据其覆盖范围的状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，每个用户占用子载波i上的一个功率区块，对于每个子载波，构建功率区块向量Di＝{Di1，Di2，…，DiM}，其中，为保证接收端的SIC接收机能够正确解调，定义|Di(m+1)-Dim|＞δi(m+1)，δi(m+1)为系统设定的第m+1个功率区块与前一个功率区块的保护功率差值，m∈{1，2，...，M}；在接收端，采用NOMA串行干扰消除方法进行信号解码，SIC接收机根据接收的各信号，按照功率从大到小排序，从各信号中选择出功率最强的信号进行检测，对最强的信号进行重构后，从总信号中去除重构出的信号，如此循环上述检测、重构、去除过程，直到检测出发送给用户m的信号为止，检测到发送给用户m的信号后，比用户m的信号弱的用户{m+1，...，M}的信号不再检测，从而无法去除，则这部分信号对于用户m的信号成为噪声，从而用户m能够达到的速率Rm为
Figure FDA0002734439060000011
其中，
Figure FDA0002734439060000012
为附加噪声的方差，pm为分配给用户m的功率，hm为基站到用户m的信道增益；
根据每个子载波的功率区块向量，构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：
Figure FDA0002734439060000013
其中，Dim表示在子载波i上，用户m分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}；
确定功率分配优化目标为在第m个功率区块获得子载波i的最大传输速率，
采用线性注水功率分配算法计算同一子载波上各功率区块的功率，包括：
将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，剩余的功率通过以下公式计算得到：
Figure FDA0002734439060000014
其中，Pi m为子载波i上第m个功率区块的功率，a为对应用户m的第m列功率区块中信噪比最差的子载波编号，
Figure FDA0002734439060000021
为子载波a上第m个功率区块的功率，
Figure FDA0002734439060000022
为子载波a的干扰噪声的方差，
Figure FDA0002734439060000023
为子载波i的干扰噪声的方差，
Figure FDA0002734439060000024
是子载波a上第m个功率区块的信道增益，
Figure FDA0002734439060000025
是子载波i上第m个功率区块的信道增益。
2.根据权利要求1所述的适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，计算各子载波上所有功率区块的功率，得到所有用户在各子载波上分配的功率，将各子载波分别对应的各功率区块的功率进行加合，形成各子载波的信号。
3.根据权利要求2所述的适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，用户向基站发送包括位置、接收信号强度、信噪比的反馈信息，基站根据该反馈信息，更新为该用户分配的功率区块，并将分配结果向所有用户广播。
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