CN109246795A - 最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，针对具有高数据速率和大规模接入需求的5G移动通信系统提出了一种能够获得大用户容量、高数据速率和低发射功率的用户接入控制方法，先建立资源管控无向图G；然后通过节点分裂得到新的资源管控无向图H；再寻找图H中的最大独立集；最后根据最大独立集获得用户接入控制策略。本发明可以显著提高同时接入网络的用户数量，同时具有高数据传输速率和低发射功率的优点。

Description

最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，可应用于5G移动通信系统中。

背景技术

非正交多址技术(NOMA)是一种将多用户传输数据通过不同的发射功率叠加在同一信道中，并在接收端利用串行干扰消除技术(SIC)对这些数据进行解码区分，从而完成数据传输的新型多址接入技术。与传统的正交多址技术相比，非正交多址技术(NOMA)在信道容量方面更具优势。5G移动通信的一个典型的应用场景就是大规模用户连接场景，物联网就是一种典型的例子。当有大量的用户需要接入网络时，有限的频谱资源往往不能同时承载所有的用户。在资源受限的情况下，如何通过接入控制使尽量多的用户接入网络成为了一个亟需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，通过寻找最大独立集(maximumindependent set，MIS)来获得最优的控制策略，从而实现提高用户连接数的目的。

本发明采用以下技术方案：

最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，首先建立资源管控无向图G；然后通过节点分裂得到新的资源管控无向图H；寻找图H中的最大独立集；最后根据最大独立集获得用户接入控制策略。

具体的，建立资源管控无向图G具体包括以下步骤：

S101、给网络中的k个信道分配用户群Q＝{m₁,m₂…,m_L}，得到一个集合(Q＝{m₁,m₂,…,m_i},k_j)，定义其为图G的一个顶点v_i，所有顶点将组成一个集合V；

S102、考察顶点集V中的元素，如果满足下式

定义v_i和v_j间有连接关系，即顶点间存在连接线，定义E表示顶点间连接线的集合；

S103、利用步骤S101中得到的集合V和步骤S102中得到的E构成资源管控无向图G＝(V,E)。

进一步的，步骤S101中，每个信道k的功率p_m满足如下条件：

进一步的，用户m在信道k上的信噪比(SINR)：

式中,σ²代表噪声功率。

进一步的，用户m在信道k上的最小发射功率：

如果则将顶点({i},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相关联的边加入到E(G)中，令j＝i+1，计算出如果且将顶点({i,j},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相连的边加入到E(G)中；重复以上步骤直到j＞M，其中，M是所有需要接入网络的用户数目；如果i＞M，则此步骤结束，所得到的集合V和E便构成了无向图G；否则令i＝i+1并跳转回。

具体的，将图G通过顶点分裂变换为图H具体为：

在集合V中考察每个顶点v，对于|Q(v)|≥2的顶点，将其分裂成|Q(v)|个顶点，保持分裂出的顶点具有与分裂前顶点相同的顶点间连接关系，分裂出的顶点各自均相互独立，互不连接，此时形成的新图定义为图H。

具体的，图H的最大独立集满足下述条件：

s.t.

其中，R_m表示用户m在网络中可达到的数据传输速率，p_m表示用户m的发射功率，s_m,k表示信道分配；

寻找图H中的最大独立集具体包括以下步骤：

S301、在图H中的顶点集V(G)内寻找集合该集合中的任意两个顶点v_i和v_j∈I,且集合I中的顶点在图G中均不互连，I构成一个独立集IS；

S302、在所有独立集I中找到包含顶点数最多的集合，该集合是最大独立集MIS。

进一步的，令 表示顶点v和该顶点的邻接顶点集的并集，即若则结束，此时集合I即为MIS，否则令n＝n+1，

其中，表示H_n中顶点v的顶点度。

具体的，根据最大独立集获得用户接入控制策略具体为：

定义控制策略集记为{A,P,S}，A表示接入控制策略，其中，a_m是一个二进制数，如果用户m被允许接入网络，则a_m为1，反之为0，|A|的值为最大独立集MIS的|I|；P表示功率控制策略

进一步的，p_m满足关系如下：

其中，S表示信道分配策略集合中的元素s_m,k指示信道分配情况，当信道k被分配给用户m时，则s_m,k＝1，否则s_m,k＝0。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

本发明最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，利用解MIS问题的方法来得到最大接入控制问题的控制策略，该方法能够极大地增加同时接入网络的用户数，且具有高数据速率和低发射功率的优点。

进一步的，本发明中资源管控无向图G的依据用户在信道k上的发射功率依次将M个用户的接入情况转换到无向图中，是一种基于NOMA技术原理的无向图构建方法，能够很好的适应NOMA网络用户接入控制的假设前提。

进一步的，本发明最大独立集的求解针对无向图H进行，资源管控无向图H通过对无向图G顶点分裂获得，获得H的顶点分裂方法条件简单，速度快。

进一步的，解最大独立集可以快速获得用户接入控制策略，也是本发明的核心技术。本发明中的最大独立集元素取得方法能够获得最佳的接入控制策略并具有较低的复杂度。

进一步的，根据最大独立集获得用户接入控制策略能够将复杂的信道分配问题用较为简易的方法解决，同时获得接入控制、功率控制和信道分配三个变量，较为完备的描述了NOMA网络的接入控制策略。

综上所述，本发明将复杂的NOMA网络上行链路最大接入(MAP)问题转换为图论中的解最大独立集问题，增加了解决MAP问题的可操作性同时降低了复杂度。通过解决最大独立集问题可以获得具有大用户容量、高数据速率和低发射功率的网络控制策略，达到最大化NOMA网络用户连接数的接入控制。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为无向图，其中，(a)为资源管控无向图G，(b)为经过顶点分裂后的无向图H；

图2为平均接入用户数与用户速率需求间的关系图；

图3为平均和速率与用户速率需求间的关系图；

图4为用户平均发射功率与用户速率需求间的关系图。

具体实施方式

本发明提供了一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，针对具有高数据速率和大规模接入需求的5G移动通信系统提出了一种能够获得大用户容量、高数据速率和低发射功率的用户接入控制方法，将最大用户接入问题转化为一个最大独立集问题，并进行求解；首先建立资源管控无向图G；然后通过节点分裂得到新的资源管控无向图H；寻找图H中的最大独立集；最后根据最大独立集获得用户接入控制策略，可以显著提高同时接入网络的用户数量，同时具有高数据传输速率和低发射功率的优点。

本发明一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，包括以下步骤：

S1、建立资源管控无向图G＝(V,E)

S101、给网络中的k个信道分配用户群Q＝{m₁,m₂…,m_L}，使得对于每个信道k的功率p_m都满足如下条件：

得到一个集合(Q＝{m₁,m₂,…,m_i},k_j)，定义其为图G的一个顶点v_i，所有顶点将组成一个集合V；

S102、考察顶点集V中的元素是否满足下式

若满足上式，则定义v_i和v_j间有连接关系，即顶点间存在连接线，定义E表示顶点间连接线的集合；

S103、利用步骤S101中得到的集合V和步骤S102中得到的E构成资源管控无向图G＝(V,E)；

S2、将图G通过顶点分裂变换为图H

在集合V中考察每个顶点v，对于|Q(v)|≥2的顶点，将其分裂成|Q(v)|个顶点，保持这些分裂出的顶点具有与分裂前顶点相同的顶点间连接关系，但同时这些分裂出的顶点各自都相互独立，互不连接，此时形成的新图定义为图H。图1给出了图G和图H的构建过程，其中包含4个用户和2个信道。

S3、解最大独立集问题

求解无向图H的最大独立集使其恰能满足下述条件：

s.t.

其中，R_m表示用户m在网络中可达到的数据传输速率，p_m表示用户m的发射功率，s_m,k表示信道分配；

S301、在图H中的顶点集V(G)内寻找集合该集合中的任意两个顶点v_i和v_j∈I,且集合I中的顶点在图G中均不互连，I构成一个独立集IS；

S302、在所有独立集I中找到包含顶点数最多的集合，该集合便是最大独立集MIS；

S4、输出用户控制策略集

控制策略集记为{A,P,S}。A表示接入控制策略其中a_m是一个二进制数，如果用户m被允许接入网络，则a_m为1，反之为0，|A|的值为步骤3中MIS的|I|；P表示功率控制策略其中的每个p_m满足下式

其中，S表示信道分配策略集合中的元素s_m,k指示信道分配情况，例如当信道k被分配给用户m时，则s_m,k＝1，否则s_m,k＝0。

{A,P,S}的取值均可根据步骤S3中得到的最大独立集得到。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。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。

步骤1：资源管控无向图G的构建方法

(1.1)首先定义无向图

初始时定义变量i＝1，并对信道集合中的每个信道k做如下计算。

(1.2)计算用户m在信道k上的信噪比(SINR)：

式中,σ²代表噪声功率。

根据香农公式得到传输速率

式中,B₀是信道带宽。

根据上式和速率需求得到用户m在信道k上的最小发射功率：

如果则将顶点({i},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相关联的边加入到E(G)中，进入(1.3)。

(1.3)令j＝i+1，根据上述公式计算出如果且将顶点({i,j},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相连的边加入到E(G)中。重复(1.3)直到j＞M，其中M是所有需要接入网络的用户数目；之后进入(1.4)。

(1.4)如果i＞M，则此步骤结束，所得到的集合V和E便构成了无向图G；否则令i＝i+1并跳转回(1.2)。

步骤2：新资源管控无向图H的构建方法

遍历顶点集合V中的每个元素v，如果|Q(v)|≥2，则将该顶点分裂成|Q(v)|个新顶点。每个新分裂的顶点也加入到无向图G中，且新分裂顶点与分裂前顶点所对应的连接关系相同，而分裂的顶点间彼此独立。此时构建图记为H。

步骤3：最大独立集解法

(3.1)定义一个集合n＝0，令

(3.2)根据公式：

计算v*，式中表示H_n中顶点v的顶点度。

(3.3)令同时令

其中,表示顶点v和该顶点的邻接顶点集的并集，即

(3.4)若则结束步骤S3，此时集合I即为MIS，否则令n＝n+1，跳回至(3.2)。

步骤4：输出控制变量集

根据所求MIS，得到控制策略集{A,P,S}。

本发明设计的方法简记为MIS-ACRAA(Maximum Independent Set basedAdmission Control and Resource Allocation Algorithm)。关于本发明在提高用户连接数方面的优势，以及在数据速率和发射功率方面的优点可以通过仿真来证实。

现对仿真做如下说明：

本仿真将MIS-ACRAA同其他三种方案进行对比，所选择对比的三种方案分别是不带功率控制的随机分配方案(简记为Random w/o PC)，带有功率控制的随机分配方案(简记为Random w/PC)和基于正交频分多址的方案(简记为OFDMA)。两种随机分配方案随机地将一个信道分配给D用户，两者的区别仅在于是否采取功率控制，不带功率控制的随机分配方案采用最大发射功率；OFDMA方案将每个信道分配给一个用户，将最大接入问题转化为最大匹配问题，该问题可利用匈牙利(Hungarian)算法进行求解。具体的仿真参数配置见表一。

表1仿真参数

图2为平均接入用户数随速率需求变化的关系图。如图所示，相较其他方案，MIS-ACRAA可以极大地提高接入用户的数量，这是因为MIS-ACRAA可以根据信道状态和需求速率合理地选择用户并进行分组。结合适当的功率控制，用户间的远近效应被充分利用。通过对比两种随机分配方案可以发现功率控制是一种提高接入用户数量的有效方法，尤其是当速率需求R^min较小时。当R^min较小时，基于NOMA的网络即使采用随机接入策略也优于传统的OFDMA网络，然而随着R^min的增长，这一情况将会反转。因此，为了实现5G高速数据传输、大规模连接的需求，应该为基于NOMA的网络设计合适的接入控制方法。

图3和图4分别证实了本发明的控制方法在数据速率和发射功率方面的优势。通过图3可以看到，随着R^min的增长，MIS-ACRAA算法的总数据速率在R^min≤2.3Mbps或R^min≥3.1Mbps时增加，但在2.3Mbps≤R^min≤3.1Mbps间下降，这一现象与图2是一致的。由于R^min的线性增长，在R^min≤2.3Mbps时支持接入用户数基本上是不变的，因此，总数据速率也随R^min线性增长，当2.3Mbps≤R^min≤3.1Mbps时，支持接入用户数急剧下降，总数据速率也因此下降，当R^min≥3.1Mbps时，支持接入用户数量下降速度变缓，从而使得总数据速率开始再次增加。其他方案的变化规律与此类似。

图3表明MIS-ACRAA可以实现相对较大的数据速率。图4则表明带功率控制的随机分配方案和OFDMA比MIS-ACRAA发射功率低，因为这两个方案所支持的用户数量少，所带来的用户数据间干扰较小，因此发射功率低。但MIS-ACRAA的发射功率也足够低。通过仿真结果可以看出本发明的算法可以支持更多的用户连接，并且具有更高的谱效和能效。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，首先建立资源管控无向图G；然后通过节点分裂得到新的资源管控无向图H；寻找图H中的最大独立集；最后根据最大独立集获得用户接入控制策略。

2.根据权利要求1所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，建立资源管控无向图G具体包括以下步骤：

S101、给网络中的k个信道分配用户群Q＝{m₁,m₂…,m_L}，得到一个集合(Q＝{m₁,m₂,…,m_i},k_j)，定义其为图G的一个顶点v_i，所有顶点将组成一个集合V；

S102、考察顶点集V中的元素，如果满足下式

定义v_i和v_j间有连接关系，即顶点间存在连接线，定义E表示顶点间连接线的集合；

S103、利用步骤S101中得到的集合V和步骤S102中得到的E构成资源管控无向图G＝(V,E)。

3.根据权利要求2所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，步骤S101中，每个信道k的功率p_m满足如下条件：

4.根据权利要求3所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，用户m在信道k上的信噪比(SINR)：

式中,σ²代表噪声功率。

5.根据权利要求4所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，用户m在信道k上的最小发射功率：

如果则将顶点({i},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相关联的边加入到E(G)中，令j＝i+1，计算出如果且将顶点({i,j},k)加入到V(G)中，并将与该顶点相连的边加入到E(G)中；重复以上步骤直到j＞M，其中，M是所有需要接入网络的用户数目；如果i＞M，则此步骤结束，所得到的集合V和E便构成了无向图G；否则令i＝i+1并跳转回。

6.根据权利要求1所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，将图G通过顶点分裂变换为图H具体为：

在集合V中考察每个顶点v，对于|Q(v)|≥2的顶点，将其分裂成|Q(v)|个顶点，保持分裂出的顶点具有与分裂前顶点相同的顶点间连接关系，分裂出的顶点各自均相互独立，互不连接，此时形成的新图定义为图H。

7.根据权利要求1所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，图H的最大独立集满足下述条件：

s.t.

C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

其中，R_m表示用户m在网络中可达到的数据传输速率，p_m表示用户m的发射功率，s_m,k表示信道分配；

寻找图H中的最大独立集具体包括以下步骤：

S301、在图H中的顶点集V(G)内寻找集合该集合中的任意两个顶点v_i和v_j∈I,且集合I中的顶点在图G中均不互连，I构成一个独立集IS；

S302、在所有独立集I中找到包含顶点数最多的集合，该集合是最大独立集MIS。

8.根据权利要求7所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，令 表示顶点v和该顶点的邻接顶点集的并集，即若则结束，此时集合I即为MIS，否则令n＝n+1，

其中，表示H_n中顶点v的顶点度。

9.根据权利要求1所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，根据最大独立集获得用户接入控制策略具体为：

定义控制策略集记为{A,P,S}，A表示接入控制策略，其中，a_m是一个二进制数，如果用户m被允许接入网络，则a_m为1，反之为0，|A|的值为最大独立集MIS的|I|；P表示功率控制策略

10.根据权利要求9所述的一种最大化非正交多址上行网络中用户连接数的接入控制方法，其特征在于，p_m满足关系如下：

其中，S表示信道分配策略集合中的元素s_m,k指示信道分配情况，当信道k被分配给用户m时，则s_m,k＝1，否则s_m,k＝0。