CN109218004B - 基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法 - Google Patents

基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明针对mMTC系统海量机器类设备信息传输特性，揭示了一种基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，包括步骤：S1，根据MTCG与MTCD的一对多通信模型列出最优化问题及其约束条件；S2，根据已知的映射矩阵将最优化问题由非凸函数转变为凸函数，并基于已知的子载波上信道系数进行降序排列，示出最优化问题中的干扰；S3，基于凸函数求解每个MTCD在各个子载波功率分配的最优解；S4，基于凸函数求解各MTCD及其占用子载波后的速率，再根据效用函数对子载波计算分配，得到完整的功率分配与子载波的分配方案。应用本发明该技术方案，加深了基站与更多MTCD的通讯，同时提升了系统的频谱利用率。

Description

基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配 方法
技术领域
本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于SCMA分层机器类通信网络下的子载波分配与功率分配的方法。
背景技术
移动互联网对数据业务量的需求日益增加，以及当前物联网时代下人们在工作娱乐等各种场景中的业务需求，使得业界对5G移动通信系统的要求骤然提高。例如需要5G通信系统能达到较高的频谱效率以及满足海量用户的接入，尤其是在海量机器类通信(mMTC)场景中，需要处理海量用户的接入问题。在传统的SCMA系统中，机器类设备MTCD与基站间直接通信，这种通信的方式有一个限制就是MTCD与基站间的距离不能太远，当MTCD与基站间的距离比较远时，这就是会使得MTCD与基站间的衰落变大，MTCD传输的信号会受到较大的影响。分层机器类通信就很好地解决了这个问题，在基站与MTCD之间加入一个功能类似于网关的这么一个设备MTCG。MTCG采用的是全双工的通信方式它有两根天线分别用来发送和接收信号，MTCG将接收到的MTCD的信号放大，然后打包转发到基站。但在MTCG与MTCD之间的资源分配问题也显露出来，怎样将MTCG从基站申请的频谱资源分配给下层的MTCD，使得MTCD到MTCG之间的信道容量最大，这就需要对资源的分配进行优化。
本申请所涉及的业务模型可分为两层也可以表述为两个阶段，第一个阶段，MTCD采用SCMA的方式将信息发送到MTCG，第二个阶段，MTCG将接收到的MTCD的信息放大后以SCMA的方式发送到基站。在这样的模型下，MTCG将从基站所获得的资源分配给与其通信的MTCD，本文提出的基于SCMA分层机器类通信网络下的子载波分配与功率分配方案就是对MTCG与MTCD之间的资源分配进行优化。由于MTCD所占用的子载波的信道增益的不同，不同的MTCD在其所占用的子载波上分配不同的功率，MTCD与MTCG之间的信道容量是有明显不同的。这表明在具有相同的频谱资源的情况下通过对子载波的分配和功率分配可以提高信道容量，使得MTCD在单位时间内可以发送更多的比特的信息。
发明内容
针对mMTC系统海量机器类设备信息传输特性，为了提高系统的频谱利用率，本发明的目的旨在提出一种基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法。
本发明实现上述目的的技术解决方案为：基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于包括步骤：
S1，根据MTCG与MTCD的一对多通信模型列出最优化问题及其约束条件；
S2，根据已知的映射矩阵将最优化问题由非凸函数转变为凸函数，并基于已知的子载波上信道系数进行降序排列，示出最优化问题中的干扰；
S3，基于凸函数求解每个MTCD在各个子载波功率分配的最优解
Figure BDA0001843200430000021
S4，基于凸函数求解得到第k个MTCD的速率Rk的表达式
Figure BDA0001843200430000022
以及第k个MTCD占用子载波n后的速率rkn，再根据效用函数
Figure BDA0001843200430000023
对子载波进行分配。其中
Figure BDA0001843200430000024
表示第k个MTCD占用子载波n后的速率，
Figure BDA0001843200430000025
表示第k个MTCD的速率，(n*,k*)表示的是违反对。
进一步地，步骤S1为，列出最优化的问题与其约束条件：
Figure BDA0001843200430000026
Figure BDA0001843200430000027
Figure BDA0001843200430000028
C3:skn∈{0,1}、
Figure BDA0001843200430000029
C5:pkn≥0。
进一步地，步骤S2为，将MTCD所占用的信道系数进行降序排列，|hk1|2≥|hk2|2≥|hk3|2≥...≥|hkn|2，确定映射矩阵后将原有的非凸函数转变为凸函数，最优化问题(1)简化为
Figure BDA0001843200430000031
约束条件简化为：
Figure BDA0001843200430000032
C7:pkn≥0。
进一步地，步骤S3为：函数
Figure BDA0001843200430000033
是一个凸优化函数，根据约束条件C6，C7运用数学方法求解出功率分配的最优解
Figure BDA0001843200430000034
进一步地，步骤S4为：将映射矩阵F中的元素全部置1，将所有的子载波都分配每个MTCD，然后根据效用函数相应的计算出效用函数低的违反对(n*,k*)并将其删除，将映射矩阵中对应保留的违反对(n*,k*)所对应位置处的元素1变为0，直到满足约束条件C1、C2，得到完整的功率分配与子载波的分配方案。
与现有技术相比，本发明具有突出的实质性特点和显著的进步性，其有益效果体现为：使用本发明的上述方法，通过构建MTCD数量估计模型来估计每个时隙发起接入的MTCD的数量，从而可以根据每个时隙发起接入的MTCD的数量来最优化ACB参数，使得每个时隙接入成功概率达到最大，提高资源的利用率。
附图说明
图1是本发明基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的系统模型图。
图2是本发明系统模型中单个MTCG与多个MTCD的通信模型图。
具体实施方式
下面结合附图进一步详细描述本发明的技术方案，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明提出的基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波分配与功率分配方案的系统模型如图1所示。它是由一个基站，M个MTCG和L个MTCD组成。
该模型可以分为两个阶段，第一阶段为MTCD到MTCG，每一个MTCD都有一个自己独有的SCMA码本，然后通过SCMA的方式将需要发送的信息发送到MTCG；第二阶段MTCG到基站，每一个MTCG也都有一个自己独有的SCMA码本，然后也通过SCMA的方式将接收到的MTCG的打包后的数据发送到基站，假设MTCG与MTCG之间不存在干扰。为了方便分析，对图1的系统模型进行拆解，对单个的MTCG进行分析，如图2所示。它是由一个基站，一个MTCG和K个MTCD组成。假设在MTCD到MTCG之间有N个子载波，第k个MTCD在第n个子载波上的信道系数用|hkn|2表示。MTCD到基站间也有N和子载波，第k个MTCD在第n个子载波上的信道系数用|hkn *|2表示。skn表示第k个MTCD占用第n个子载波，skn＝1表示第k个MTCD占用第n个子载波，skn＝0表示第k个MTCD没有占用第n个子载波。pkn表示第k个MTCD在第n个子载波上的功率，pM表示MTCD的最大发射功率，pG表示MTCG的最大发射功率，噪声功率为σ2，同时将信道增益好的MTCD作为MTCD到MTCG阶段的干扰，将MTCD与基站的通信作为对MTCG与基站通信的干扰。假设MTCD与所占用子载波间的映射矩阵F已知。Ri表示MTCD到MTCG之间的总的传输速率，单位为bit/s/Hz，
Figure BDA0001843200430000041
表示MTCG的传输速率，单位为bit/s/Hz。本发明的目标就是在满足MTCD最低速率的要求下最大化MTCD到MTCG之间的总的传输速率。为了保证整个网络可以正常的工作MTCG的传输速率
Figure BDA0001843200430000042
根据香农公式Ri，
Figure BDA0001843200430000043
表示如下：
Figure BDA0001843200430000044
Figure BDA0001843200430000045
在满足MTCG传输速率的基础上，最大化MTCD到MTCG之间的总数据速率，最优化问题如下：
Figure BDA0001843200430000046
Figure BDA0001843200430000051
Figure BDA0001843200430000052
C3:skn∈{0,1}、
Figure BDA0001843200430000053
C5:pkn≥0。
约束C1表示在相同的子载波上最多允许dV个MTCD来传输信息，约束C2表明为了保证SCMA码子的稀疏性一个子载波所能分配的MTCD不能超过dc个，约束C3表示当第k个用户占用第n个子载波时skn＝1，第k个用户没有占用第n个子载波时skn＝0，MTCD的传输功率限制由约束C4和C5来表示。
本发明设计的基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波分配与功率分配方案包括以下步骤：
1)根据图2列出最优化问题(1)，以及最优化问题的约束条件C1、C2、C3、C4、C5。因为目标函数只与变量skn与pkn有关，并且问题(1)是一个非凸问题，所以可以通过将非凸问题转变为凸问题来求解，具体可以分为两步来求解。子步骤一通过确定映射矩阵来将原本的非凸问题转变为凸问题，子步骤二根据子步骤一求出的功率分配方案来确定最终的子载波分配。
2)根据已知的映射矩阵将原有的最优化问题由非凸函数转变为凸函数，另外信道系数也是已知的，对信道系数进行降序排列即可将问题(1)中的干扰表示出来。
3)对化简后的最优化问题利用数学的方法可以求出每个MTCD在各个子载波上功率分配的最优解
Figure BDA0001843200430000054
4)由步骤二得到转变后的凸优化问题，可以得到第个kMTCD的速率Rk的表达式即
Figure BDA0001843200430000061
以及第K个MTCD占用子载波n后的速率rkn，再根据效用函数
Figure BDA0001843200430000062
对子载波进行分配。其中表示第K个MTCD占用子载波n后的速率，
Figure BDA0001843200430000063
表示第K个MTCD的速率，(n*,k*)表示的是违反对。
本发明方法的方案中，步骤1)的具体流程为：列出最优化的问题与其约束条件：
Figure BDA0001843200430000064
Figure BDA0001843200430000065
Figure BDA0001843200430000066
C3:skn∈{0,1}、
Figure BDA0001843200430000067
C5:pkn≥0
本发明方法的方案中，步骤2)的具体流程为：将MTCD所占用的信道系数进行降序排列，即|hk1|2≥|hk2|2≥|hk3|2≥...≥|hkn|2，确定映射矩阵后将原有的非凸函数转变为凸函数，问题(1)简化为
Figure BDA0001843200430000068
Figure BDA0001843200430000069
C7:pkn≥0。
本发明方法的方案中，步骤3)的具体流程为：根据步骤二已经把非凸优化函数转变为了凸优化函数，
Figure BDA0001843200430000071
根据约束条件C6，C7运用数学方法求解出功率分配的最优解
Figure BDA0001843200430000072
本发明方法的方案中，步骤4)的具体流程为：将映射矩阵F中的元素全部置1，即表示将所有的子载波都分配每个MTCD，然后根据效用函数相应的计算出效用函数低的违反对(n*,k*)并将其删除，对应的将映射矩阵中(n*,k*)所对应位置处的元素1变为0，直到满足约束条件C1、C2。最后得到完整的功率分配与子载波的分配方案。
综上实施例结合图示的详细描述可见，本发明创新方案较之于现有技术具有如下优点：(1)本发明在业务模型的框架上进行了改进，提出了一种新的业务模型框架，与传统的分层通信的模型相比在当前业务模型的框架下，基站具有相同的频谱资源时，可以与更多的MTCD进行通信。
(2)在本框架的下本发明提出了一种次优的解决子载波分配与功率分配的算法。本算法对于分层机器类通信的资源分配可以有效的解决MTCD之间的子载波分配和功率分配问题，在频谱利用率方面也有较大的提高。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内进行修改或者等同变换，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于包括步骤：
S1，根据MTCG与MTCD的一对多通信模型列出最优化问题及其约束条件；
S2，根据已知的映射矩阵将最优化问题由非凸函数转变为凸函数，并基于已知的子载波上信道系数进行降序排列，示出最优化问题中的干扰；
S3，基于凸函数求解每个MTCD在各个子载波功率分配的最优解
Figure FDA0001843200420000011
S4，基于凸函数求解得到第k个MTCD的速率Rk的表达式
Figure FDA0001843200420000012
以及第k个MTCD占用子载波n后的速率rkn，再根据效用函数
Figure FDA0001843200420000013
对子载波进行分配，其中
Figure FDA0001843200420000014
表示第k个MTCD占用子载波n后的速率，
Figure FDA0001843200420000015
表示第k个MTCD的速率，(n*,k*)表示的是违反对。
2.根据权利要求1所述基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于步骤S1为，列出最优化的问题与其约束条件：
Figure FDA0001843200420000016
C1:
Figure FDA0001843200420000017
C2:
Figure FDA0001843200420000018
C3:skn∈{0,1}、
C4:
Figure FDA0001843200420000019
C5:pkn≥0。
3.根据权利要求1所述基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于步骤S2为，将MTCD所占用的信道系数进行降序排列，
|hk1|2≥|hk2|2≥|hk3|2≥...≥|hkn|2，确定映射矩阵后将原有的非凸函数转变为凸函数，
最优化问题(1)简化为
Figure FDA0001843200420000021
约束条件简化为：C6:
Figure FDA0001843200420000022
C7:pkn≥0。
4.根据权利要求1所述基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于步骤S3为：函数
Figure FDA0001843200420000023
是一个凸优化函数，根据约束条件C6，C7运用数学方法求解出功率分配的最优解
Figure FDA0001843200420000024
5.根据权利要求1所述基于SCMA mMTC系统分层机器类通信的子载波及功率分配方法，其特征在于步骤S4为：将映射矩阵F中的元素全部置1，将所有的子载波都分配每个MTCD，然后根据效用函数相应的计算出效用函数低的违反对(n*,k*)并将其删除，将映射矩阵中对应保留的违反对(n*,k*)所对应位置处的元素1变为0，直到满足约束条件C1、C2，得到完整的功率分配与子载波的分配方案。
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