CN109327895B - 基于noma和cr网络的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于NOMA和CR网络的功率分配方法，通过限制分配给所有从用户的总功率来确保从用户对主用户的干扰不超过主用户所能承受的最大干扰门限，从而确保主用户的通话质量，与此同时，充分考虑NOMA系统的特性，在不对主用户正常通信造成影响的情况下，根据所有从用户可以分配的总功率再对每一个从用户以NOMA的方式进行功率分配，最大化接入系统的从用户数量。本发明细化了不同的主用户对从用户的干扰，在充分考虑主用户的功率，信道增益，信干噪比以及从用户的信道的情况下，进行功率分配。与现有技术相比本发明在复杂度提升不大的情况下可以获得更好的性能，能够接入更多的从用户，提高频谱效率。

Description

基于NOMA和CR网络的功率分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种功率分配的方法，具体是将认知无线电CR和非正交多址接入NOMA相结合，细化主从用户之间的相互干扰部分，并在这个混合系统中进行功率分配。

背景技术

认知无线网络的设想是允许授权用户和非授权用户共享信道，通过异构的无线框架和动态的频谱接入技术来给非授权用户提供更多的带宽。除此之外，采用频谱效率更高的分配接入方式同样也可以实现这一目标，例如采用非正交多址接入(NOMA,Non-Orthogonal Multiple Access)方式。结合了连续干扰抵消(SIC,SuccessiveInterference Cancellation)技术的NOMA已经被理论证明可以进一步提升频谱的利用率以及在系统的容量和吞吐量上获得更为显著的成效。和以往的正交多址接入方式不同，NOMA以提升接收机的复杂度为代价，通过引入可控的干扰，来实现系统用户的过载，从而提高系统的效率。

经对现有技术的文献检索发现，在这样一个结合了CR和NOMA的混合系统中，主从用户之间的干扰是相互的，主用户对不同的从用户产生的干扰应该是不同的，但是没有文章或发明仔细考虑了这一干扰项的影响。《Power Allocation for Cognitive RadioNetworks Employing Non-orthogonal Multiple Access》一文中将CR和NOMA进行了结合，考虑CR中的从用户之间以NOMA的方式接入系统，通过限制分配给从用户的总功率来确保从用户对主用户造成的干扰不会超过主用户能够承受的范围，其不足就在于没有充分考虑主用户对从用户的干扰，仅仅将其假设为一个常量，这是不合理的，主用户数量、位置等参数若发生了变化，则其对从用户产生的干扰也一定会相应改变，并且在从用户的通信参数发生变化的同时，主用户也应该进行相应的调整。例如当从用户的通话质量提高时，主用户的质量应该更高才对。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，细化了在CR网络与NOMA相结合的混合系统中不同的主用户对从用户造成的干扰，在充分考虑每个主用户的功率，信道增益，信干噪比以及每个从用户的信道的情况下，对每一个从用户以NOMA的方式进行功率分配，并且确保从用户不会对主用户正常通信造成影响，最大化接入系统的从用户数量。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明考虑的CR系统采用Underlay模式，从用户通过从基站在小区中进行通信，同时小区中还随机地分布有若干对主收发信机，研究下行链路通信的情况。假设每个主用户(即主接收机)存在一个最大可以容忍的干扰门限，而主从用户的服务质量(QoS,Qualityof Service)要求分别由其信干噪比SINR决定。首先根据每个主用户的SINR确定所有从用户所能够支配的总功率，然后对每个从用户进行功率分配，从用户之间的干扰可以通过SIC进行部分的消除，而主用户产生的干扰对于每个从用户而言都是不同的，对于SINR要求无法满足的从用户，系统会拒绝其接入。

本发明包括以下步骤：

步骤一：计算每个主用户的功率：首先根据主用户的信道情况，计算每个主用户在正常通信要求的SINR下所需要的功率，完成对主用户的功率分配。

每个主用户的功率需要满足：

其中

表示第i个主发送机到第i个主用户的信道增益，

表示第i个主发送机的发射功率，

表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，

表示其余的主发送机对第i个主用户造成的干扰，

表示所有从用户对第i个主用户造成的干扰，N₀则表示背景白噪声。

步骤二：计算从用户所能分配的总功率P_S：根据从基站到每个主用户的信道增益，考虑主用户的最大干扰门限，对从用户的总功率进行限制，确保在对从用户进行功率分配的同时，不会对主用户的正常通信产生影响。

对于从用户而言，其对主用户的干扰不能超过主用户所能承受的门限，有：

其中

表示主用户所能承受的门限，

表示从基站到第i个主用户的信道增益，如果令

则结合可以将上式改写为：

其中

指的是从基站所能发送的最大功率，是从基站总功率的约束，P_S确保了从用户不会对主用户的正常通信造成影响。

步骤三：根据P_S对从用户进行功率分配：从用户以NOMA的方式接入系统，从用户之间的相互干扰通过SIC可以进行部分抵消，从而使系统能够接入更多的从用户数量。

采用了SIC技术之后，每个从用户的功率求解如下：

其中

表示从基站发送给第j个从用户的功率，

表示从基站发送给第i个从用户的功率，

表示所有的主发送机对第j个从用户造成的干扰，

表示第j个从用户正常通信所必须满足的SINR阈值，

表示从基站到第j个从用户的信道增益。认为每个从用户就以SINR阈值所要求的功率进行通信，此时上式变为：

可以看出每一个从用户的功率可以通过有顺序的迭代进行求解，即

可以直接求解，根据

可以求得

根据

和

又可以求得

以此类推。

对于上述有顺序的迭代，其终止条件为：

即表示第j个从用户所需要的功率大于从用户总功率所剩下的能继续分配的功率，此时就没有足够的功率来支持第j个及之后的从用户接入系统了，迭代终止。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明将认知无线电网络和NOMA相结合，并对这个混合网络提出了一种功率分配方法，使得网络中能够接入的从用户数量达到最大，本发明在考虑了主用户的SINR要求和信道增益的情况下，细化了主用户对不同从用户造成的干扰部分，而不是将其假设为一个常量，适用范围更广。

为了显示本发明的优越性，将其与较为经典的FTPC进行比较，仿真结果表明本实施例的方法性能优于FTPC，尤其在主用户数量N较少的情况下，两种方法的复杂度Ο(N·M)和Ο(M)相差不大，但是本发明可以在同等条件下接入更多的从用户。从图3-图6可以看出，不论是在什么情况下，本发明都能比FTPC接入更多的从用户数量，尤其在主用户数量较少或者从用户SINR要求较低的情况下，两种方法所能接入的从用户数量相差了一倍，这是由于FTPC只根据每个从用户的信道情况来进行功率分配，在满足最低SINR要求即可正常通信的情况下，会存在给用户多分配功率造成功率浪费的情况，不能最大化合理利用可分配的功率。

附图说明

图1是系统模型示意图。

图2是FTPC随α_ftpc的变化关系。

图3是两种方法随请求接入从用户数量的变化关系。

图4是两种方法随从用户SINR的变化关系。

图5是两种方法随主用户数量的变化关系。

图6是本发明方法随主用户数量的变化关系。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

本实施例通过以下步骤实现：

步骤一：计算每个主用户的功率：首先根据主用户的信道情况，计算每个主用户在正常通信要求的SINR下所需要的功率，完成对主用户的功率分配。

如图1所示，本实施例假设有一个从用户小区，小区的中心有一个从基站，小区中随机地分布有若干个从用户和若干对主收发信机，下文中主用户对应主接收机，考虑下行链路通信的情况。由于这些用户的链路会相互干扰，因此必须考虑从用户对主用户造成的干扰以及主从用户的QoS要求。假设每个主用户存在一个最大可以容忍的干扰门限，而主从用户的QoS要求分别由其信干噪比SINR决定。认知无线电系统采用Underlay模式，即主用户和从用户可以同时共享相同的频带进行数据的传输，除此之外，从用户之间采用NOMA的方式接入系统。

系统的传输参数分别如下，主用户的数量为N，从用户的数量为M，第i个主发送机到第i个主用户和到第j个从用户的信道增益分别为

和

信道增益主要取决于用户和发送机之间的距离。同理对于从基站而言，有从基站到第i个从用户和到第j个主用户的信道增益分别为

和

假设对于基站或发送机而言，所有的信道增益都是已知的。对于主用户i来说，其信干噪比γ_i可以表示如下：

其中

表示第i个主发送机的发射功率，

表示其余的主发送机对第i个主用户造成的干扰，

表示所有从用户对第i个主用户造成的干扰，N₀则表示背景白噪声。为了确保主用户的通话质量不会受到影响，有如下的约束条件：

其中

表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值。

在CR网络中，首先要确保主用户的正常通信，将(1)带入(2)中，并且认为主用户就以SINR阈值所要求的功率进行通信，可以得到每一个主用户的功率：

步骤二：计算从用户所能分配的总功率P_S：根据从基站到每个主用户的信道增益，考虑主用户的最大干扰门限，对从用户的总功率进行限制，确保在对从用户进行功率分配的同时，不会对主用户的正常通信产生影响。

对于从用户来说，可以认为从用户的信道增益呈现逐渐递减的特性(如果不满足，只需要调换相应的从用户的序号即可)，即：

由于从用户之间采用NOMA的接入方式，共享相同的频段，因此第i个从用户的SINR可以表示如下：

其中

表示从基站对于第i个从用户的发送功率，

表示所有的主发送机对第i个从用户造成的干扰，即：

正如之前所说，在从用户的接收端采用SIC技术，因此对于那些信道条件较好的从用户来说，可以先检测出信道条件较差的用户的信号，从而在接收到的混合信号中减掉这些用户的信号，达到干扰消除的作用。因此，在计算从用户的SINR时，对于那些信道条件较差的用户的信号可以进行移除，结合(4)并将(6)代入(5)中，可以得到：

同样，为了确保从用户的QoS，使其能够正常通信，有：

其中

表示第i个从用户正常通信所必须满足的SINR阈值。

另一方面，如果对于第i个主用户来说，其所能承受的从用户对其造成的最大干扰门限为

则相应的干扰约束可以表示为：

其中求和项与i无关，令

则(9)可以进一步写为：

其中P_S表示的就是所有从用户的总功率。将(10)进行适当的变形可以得到：

如果令

则可以将上式改写为：

其中

指的是从基站所能发送的最大功率，是从基站总功率的约束。

至此得到了从用户的总功率P_S，P_S确保了从用户不会对主用户的正常通信造成影响。

步骤三：根据P_S对从用户进行功率分配：从用户以NOMA的方式接入系统，从用户之间的相互干扰通过SIC可以进行部分抵消，从而使系统能够接入更多的从用户数量。

根据(12)可以求得从用户所能支配的总功率，此时功率分配问题就转化成了如何在从用户之间对P_S进行合理的分配。

从用户的正常通信同样需要得到保障，将(7)代入(8)中有：

根据(13)和从用户逐渐下降的信道增益，可以对从用户进行有顺序的迭代，从而达到分配功率的目的，对于第j个从用户，其功率

是由信道增益比他好的前j-1个从用户的功率所决定的。因此虽然从用户的信道增益是逐渐递减的，但是每个从用户分配到的功率却是逐渐增加的，只要主用户的功率和

已知，就可以求得第j个从用户所需要的功率。具体的求解方法如下，认为每个从用户就以SINR阈值进行通信，此时第一个从用户(也是信道最好的那个从用户)的功率为：

有了第一个从用户的功率，根据(13)和

可以求得第二个从用户的功率为：

以此类推，可以迭代得到第j个从用户的功率的表达式为：

根据(16)可以逐步求得每一个从用户正常通信所需要的功率，但是在迭代的过程中，没有考虑之前(12)对于从用户的总功率约束P_S，因此每分配完一个从用户的功率

就需要对目前已分配到功率的从用户计算一次

以确保

因此可以得到(16)的迭代终止条件为：

即表示第j个从用户所需要的功率大于从用户总功率所剩下的能继续分配的功率，此时没有足够的功率来支持第j个从用户接入系统了，并且由于信道增益是越来越差的，之后的第j+1个一直到第M个从用户所需要的功率只会越来越高，因此对于这些从用户{j,j+1,...,M}，只能认为其功率为0，从而保证不会对主用户正常通信造成影响，此时系统能够接入的从用户数量为j-1。

步骤四：与FTPC方法进行仿真比较。

为了突出本发明的优越性，本实施例将FTPC功率分配方法与之进行比较，FTPC方法具体如下：

其中α_ftpc是衰减系数，其范围为0≤α_ftpc≤1，当α_ftpc＝0时，根据(18)，显而易见可以看出，每一个从用户的功率都是相等的，此时FTPC就是等功率分配。随着α_ftpc的数值不断增加，更多的功率会分配给信道条件较差的用户，这与NOMA的思想是一致的。

FTPC根据每个从用户的信道增益情况来进行功率分配，因此每个从用户都能够分配到功率，但是不能确保每一个从用户都能满足QoS要求，因此在功率分配完毕之后，需要对那些不满足SINR要求的从用户进行移除，FTPC的复杂度为Ο(M)，本发明的方法由于在计算每个从用户的功率时，要考虑主用户产生的干扰，因此复杂度为Ο(N·M)。

本实施例假设基于NOMA的CR网络中，从基站的覆盖范围为500m，从基站位于小区的正中心，从用户和主收发信机在从小区中随机分布，考虑下行链路的通信情况，不考虑主用户之间的相互干扰，如果从用户对主用户造成的干扰在主用户能承受的最大干扰门限下，从用户不会对主用户的正常通信产生影响。主从用户的信道增益分别表示为

其中

和

分别代表第j个主发送机到第i个主用户和从基站到第i个从用户的距离，

和

是均值为零，标准差为4的高斯随机变量，K₀＝10³表明了系统传输的各个因素。令白噪声的功率N₀＝-170dBm，主用户所能承受的最大干扰门限为

从基站最大的发送功率

主用户的SINR阈值比从用户高5dB，为了减小仿真的误差，参数设定之后运行10⁴次并取平均值作为最后的仿真结果。

1)FTPC方法中，在请求接入的从用户数量和从用户的SINR变化的情况下，随着α_ftpc的变化，系统能够接入多少从用户

图2考虑了有三个主用户的情形，可以看出随着α_ftpc的不断增加，能够接入系统中的从用户数量也在增加。因为α_ftpc数值越小，则功率分配越平均，此时对于那些信道条件较差的用户，毫无疑问是无法满足QoS要求的，相反α_ftpc数值越大，功率分配越不平均，信道好的用户分配得到的功率少，信道差的用户分配的功率多，能达到SINR要求的用户数量自然就变多了。从图2中也可以看出，同样请求接入5个从用户的情况下，从用户要求的SINR升高，能够接入的从用户数量会减少将近一半。不论是哪种情况，能够接入系统的从用户数量并不多，在同样最低SINR要求是5dB的情况下，请求接入的从用户数量从5上升到10个，但是真正能够接入系统的从用户数量只增长了1个，可以看出在最大化接入系统用户数量的问题中，FTPC的性能并不优秀。

2)本发明提出的功率分配方法与FTPC方法随各种参数变化下的性能优劣对比

图3考虑了两种方法随着请求接入的从用户数量的变化关系，令α_ftpc＝1，请求接入的从用户数量从1逐渐提升至10，分别考虑了主用户数量为3和5时的情况，可以看出，在请求接入的用户数量较少的情况下，即使两种方法性能相差不大，但是本发明仍然优于FTPC，随着请求接入的用户数量越来越多，两种方法的差距也变得越来越明显，本发明具有显著的优越性，不论主用户数量是3还是5，都能比FTPC多接入将近一倍的从用户数量。这是由于FTPC只根据每个从用户的信道情况来进行功率分配，在满足最低SINR要求即可正常通信的情况下，会存在给用户多分配功率造成功率浪费的情况，不能最大化合理利用可分配的功率。

图4比较了两种方法随着从用户SINR变化的情况，可以看出从用户SINR要求越高，两种方法的性能都会下降，因为每个从用户的QoS要求越高，分配给每个从用户的功率就越多，并且本实施例的仿真要求主用户的SINR比从用户高5dB，主用户的高SINR也会对从用户造成更多的干扰，因此能够接入的从用户数量会随着SINR的提升急剧下降，然而本发明仍然能比FTPC多接入近一倍的从用户数量。

图5比较了在请求接入的用户数量为10的情况下，两种方法随着主用户数量变化的情况，考虑从用户的SINR要求分别为5和10dB，可以看出在主用户数量较少的情况下，每增加一个主用户，能够接入系统中的从用户数量会迅速减少，因为主用户的数量一多，对从用户的干扰就大，每个从用户正常通信所需要的功率就会变多，满足要求的从用户数量自然就会减少，并且在其余条件不变的情况下，从用户的SINR提升一倍，能够接入的数量也会大幅减少。随着主用户数量越来越多，从用户数量的下降趋势会趋于平缓，这是因为本身能够接入系统的从用户已经很少了，认知无线电考虑的情形本就是在主用户需求不大的情况下，共享频谱给从用户，当主用户通信较为活跃时，从用户自然应该退避确保主用户的正常通信。图5可以看出，本发明性能依然是优于FTPC的，FTPC由于接入的数量本来就不多，因此下降趋势较本发明更为平缓。当主用户数量N较少时，本发明的性能大大优于FTPC，而在复杂度上，由于N较小，因此Ο(N·M)和Ο(M)相差不大，随着N越来越高，两种方法性能相差也越来越小，此时则可以选择复杂度较低的FTPC进行分配。

图6考虑了本发明随主用户数量的变化情况，从用户的SINR分别为5,10,15和20dB，请求接入的从用户数量仍然为10。可以看出，主从用户的QoS要求每提升一倍，能够接入系统中的用户数量就会下降一半，当主从用户的通信要求都很高时，从用户的接入率非常低，这是由于在功率干扰的约束下，要满足高SINR通信要求，自然就需要分配更多的功率，从用户的数量也就因此变少了。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.基于NOMA和CR网络的功率分配方法，其特征在于，该方法的应用场景包括一个从基站、若干个从用户和若干对主收发信机，其中主接收机对应主用户，CR网络采用Underlay模式，从用户以NOMA的方式接入系统；该方法包括如下步骤：

步骤1：计算每个主用户的功率；

步骤2：计算从用户所能分配的总功率P_S；

步骤3：根据P_S对从用户进行功率分配；

步骤1中，所述每个主用户的功率需满足：

其中

表示第i个主发送机到第i个主用户的信道增益，P_i ^(p)表示第i个主发送机的发射功率，

表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，

表示其余的主发送机对第i个主用户造成的干扰，

表示所有从用户对第i个主用户造成的干扰，N₀则表示背景白噪声；

步骤2中，从用户对主用户的干扰不能超过主用户所能承受的门限，有：

其中

表示主用户所能承受的门限，

表示从基站到第i个主用户的信道增益，令

则式(2)可改写为：

其中

指的是从基站所能发送的最大功率，是从基站总功率的约束；

步骤3中，每个从用户的信干噪比需满足：

其中

表示从基站发送给第j个从用户的功率，P_i ^(s)表示从基站发送给第i个从用户的功率，

表示所有的主发送机对第j个从用户造成的干扰，

表示第j个从用户正常通信所必须满足的SINR阈值，

表示从基站到第j个从用户的信道增益。

2.根据权利要求1所述的基于NOMA和CR网络的功率分配方法，其特征在于，每个从用户以SINR阈值所要求的功率进行通信，则其功率需满足：

3.根据权利要求2所述的基于NOMA和CR网络的功率分配方法，其特征在于，式(5)迭代计算的终止条件为：

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