CN109699083A - 一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，属于无线通信领域。该发明主要步骤包括：(1)首先基站检测出各用户的信道状态信息，并将信道状态信息按从大到小顺序排列；其次列出单小区多用户系统下的总容量公式；最后建立单小区多用户系统容量的优化模型；(2)对目标函数即系统容量进行公式转换，将其改写成多个增函数的线性叠加和；(3)用平均功率分配算法分配各子载波功率；(4)基站选取各用户的发射功率使每个增函数在定义域内达到最大，并得到各子载波上各用户的分配功率。本发明所设计的方法在保证小区用户服务质量要求的同时，合理、充分地利用了非正交多址系统中的子载波，并且通过各用户功率的合理分配，提高了非正交多址系统的容量和用户公平性。

Description

一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，更具体地，涉及一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法。

背景技术

随着智能终端的普及以及物联网等移动通信新业务的发展，无线网络各个应用领域的需求呈现爆炸性增长，传统的多址技术因为存在用户数与正交资源成正比的问题，因此难以满足5G所期望的连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠的要求，因此，需要研究新的多址技术去实现这种挑战。非正交多址接入技术(Non-OrthogonalMultiple Access,NOMA)因为其高容量、高频谱效率的特点被广泛认为是一种很有前途的多址技术。

NOMA技术主要是在功率域叠加多个用户，可以将频域、时域等传统信道资源分配给多个用户使用，用户之间通过发送端分配的不同功率来进行，因此可以更为充分地利用频域、时域的资源，频谱效率、系统容量等指标可以实现成倍的提升，由于发送端功率分配方法直接决定着小区系统容量、各用户服务质量、小区边缘用户吞吐量、用户之间的公平性、频谱效率和能量效率等多项性能指标，因此，设计出复杂度低、性能好以及利于SIC接收机检测的功率分配方法是NOMA技术走向实用的关键。

在基于非正交多址接入技术的通信系统中，子载波和子载波上复用用户的功率分配策略一直是研究的热点之一。然而，现有技术都是假设每个子载波只分配给两个或较少的用户使用，并且仅仅考虑单个用户或者少部分用户达到最小速率要求。从实际应用的角度上看，这种假设不但造成通信资源的浪费，而且会较为明显地降低系统性能。因此，必须采用新的功率分配算法来避免资源的利用不充分和提高系统的性能。

发明内容

本发明的目的在于改进现有研究的不足，提供了一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，以确保在满足子载波各用户的最小速率要求的同时能够达到最大的系统容量。

为实现以上发明目的，本发明的技术方案如下：

一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，包括以下步骤：

S1:设置非正交多址子载波个数为N_sc，每个子载波允许接入的最大用户数u_max、基站分配给子载波的功率P_T、基站分配给第n个子载波上第u个用户的功率p_u,n和给出的最小速率 R_min。并建立基于多用户的非正交多址系统容量的优化模型。

S2：将系统容量即优化目标函数改写成u个增函数的线性叠加和。

S3：采用平均功率分配方法分配各子载波功率。

S4：分配功率使第n个子载波第u-1个和第u个用户的系统容量达到最大，得到第n个子载波第u个用户的功率p_u,n。同理分配功率使第n个子载波第u-2个用户的系统容量达到最大，得到第n个子载波第u个用户的功率p_u-1,n。

S5：判断p_u-1,n是否等于p_u,n，若相等，则运用拉格朗日-KKT条件求取p_1,n，若不相等，返回执行S4。最终计算各子载波上的各用户的发射功率。

S6：计算分配给各子载波各用户的发射功率。

进一步，在步骤S1中，建立的基于多用户的非正交多址系统容量的优化模型为：

其中，R_sum为每个子带多用户系统和速率,R_i,n为第n个子载波第u个用户的数据速率， R_min为用户最小速率，P_T为基站发射功率。约束C₁要求基站处分配给用户的传输总功率不大于其发射功率；约束C₂保证在进行功率分配时，不违背NOMA准则(信道条件差的用户分配的功率多于信道条件好的用户分配的功率)这里假设第n个子带第m个用户的信道条件优于第n个子带第i个用户；约束C₃保证每个用户的数据率达到其最小速率要求，即QoS要求；约束C₄则保证用户能够分配到功率。

进一步，在步骤S2中，将优化目标改为多个增函数线性叠加形式的具体方法为：

上式中， P_m＝p_1,n+…+p_m,n,P_u＝p_1,n+…+p_u,n，假设|h_m,n|²已知，并且|h_m,n|²-|h_m+1,n|²＞0，则f(P_m)， g(P_u)分别是关于P_m和P_u的增函数，即原目标函数可以是多个增函数的线性叠加和。

进一步，在步骤S3中，得到各子载波的功率为：

P_t＝P_T/N_SC

其中，P_t为子载波用户总功率，P_T为基站发射的总功率，N_SC为系统分配的子载波个数。

进一步，在步骤S4和步骤S5中，得到第n个子载波各个用户的功率的具体方法为：

利用步骤2中P_m和P_u的关系可以得知，P_u-P_m＝p_u,n，同理可以得到第n个子载波各个用户的功率。

本发明的有益效果在于：

本发明所构建基于多用户的非正交多址系统容量的优化模型不仅考虑了小区内各子载波上各个用户的服务质量要求，而且考虑了各子载波上用户的公平性。在对问题最优解的求取方式上，将原有的目标函数转化为多个增函数的线性叠加和，通过在可行域内分配合适的功率使每个增函数达到最大，进而逐步逼近原约束问题的最优解，具有可实施性强，系统容量和用户公平性得到较好兼顾等优点。

附图说明

图1为本发明所需的非正交多址系统下行单小区多用户系统模型。

图2为本发明的流程图。

图3为本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统的功率分配方案在系统容量的对比图。

图4为本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统的功率分配方案在小区边缘用户容量的对比图。

图5为本发明提供的方法得到的功率分配方案和传统的功率分配方案在小区覆盖概率的对比图。

具体实施方案

为了使本技术领域人员能更好地理解本发明方案，下面结合具体实例和说明附图来进行详细的描述。

1、系统模型

参照图1，本方案主要非正交多址系统下行单小区多用户系统模型，基站部署在小区中心，通过随机撒点的方式模拟各蜂窝用户的位置。假设基站和小区各用户都只配有单根天线。系统总带宽分为N_c个子载波，每个子载波的带宽为B_sc，在任一子载波上非正交复用的用户数为u，每个子载波上最多复用u_max个用户，在第n个子载波上，从基站到第m个用户的信道状态信息表示为|h_m,n|²，假设基站端能够完全知道整个网络系统的信道状态信息。并且第n个子载波上用户的信道状态信息从大到小降序排列，即则在满足个用户最小速率要求的前提下，最大化系统和速率问题可以建模为：

其中，R_sum为每个子带多用户系统和速率,R_i,n为第n个子载波第u个用户的数据速率， R_min为用户最小速率，P_T为基站发射功率。约束C₁要求基站处分配给用户的传输总功率不大于其发射功率；约束C₂保证在进行功率分配时，不违背NOMA准则(信道条件差的用户分配的功率多于信道条件好的用户分配的功率)这里假设第n个子带第m个用户的信道条件优于第n个子带第i个用户；约束C₃保证每个用户的数据率达到其最小速率要求，即QoS要求；约束C₄则保证用户能够分配到功率。

上述优化模型中，整个单小区多用户的系统容量可以表示为：

为了简化问题，可以将原目标函数改写成：

上式中， P_m＝p_1,n+…+p_m,n,P_u＝p_1,n+…+p_u,n。由前文假设，各子载波上各用户的信道状态信息均已知，且应有|h_m,n|²-|h_m+1,n|²＞0，子带带宽B_sc，噪声功率谱密度N₀均已知，则f(P_m)，g(P_u) 分别是关于P_m和P_u的增函数，即原目标函数可以看成多个增函数的线性叠加和。

2、优化问题的求解

由第一部分优化模型中约束条件C₃可以得到：

在上式中，令则得到子带各用户功率的流程可以用图2表示,具体方法包括如下几步：

步骤一：利用P_m和P_u的关系可以得知，P_u-P_m＝p_u,n，即能得到小区第n个子载波，信道状态信息最小用户的分配功率，且可以表示为：

步骤二：利用P_m和P_m-1的关系可以得知，P_m-P_m-1＝p_u-1,n，即能得到小区第n个子载波，信道状态信息倒数第二用户的分配功率，可以表示为：

步骤三：判断步骤二中p_u-1,n是否等于p_2,n，若相等，则利用拉格朗日-KKT条件求解p_1,n，若不相等，则重复执行步骤二。

在上述步骤完成后，可以得到各子载波上各用户分配的功率。

实施例2

本发明效果可以通过下面仿真实验结果进一步说明，仿真实验结果如图3、图4和图5 所示

对于图3、图4和图5，仿真基本参数为:基站发射总功率为46dBm，子载波数为8个，系统总的带宽为10MHz，噪声功率谱密度为-170dBm,子载波叠加用户数为10，信道模型采用6径频率选择性瑞利衰落信道。仿真对比功率分配算法为传统的固定功率分配算法和分数阶功率分配算法。固定分配算法系数为0.8，分数阶功率分配算法系数为0.9。

图3是利用三种算法分别仿真的关于小区系统容量和子载波复用用户数的关系，从图中可以看出随着子载波复用用户数的增加，三种算法所得到的小区系统容量都呈现逐渐增加的趋势，当子载波叠加用户数达到一定数值后，小区系统容量不再增加。由图还可以看出，本发明所仿真得到的曲线一直优于其他两种算法得到的仿真结果，这说明本发明提供的方法得到的功率分配方案明显优于其他两种功率分配算法。

图4所展示的是随着子载波复用用户数目的增加，小区边缘用户的容量曲线图，从图中可以看出随着子载波复用用户数的增加，三种算法仿真得到的小区边缘用户容量呈现下降趋势，在下降过程中，当用户数为两个时，本发明的功率分配方案低于其他两种算法，这是因为系统分配给了更多的功率给此时的强用户，从而造成小区边缘用户容量低于其他用户，当用户数大于两个时，本发明所提供的方法得到的小区边缘用户容量一直优于固定功率分配算法和分数阶功率分配算法得到的小区边缘用户容量。

图5仿真图形是小区最小用户数据数率与小区覆盖概率的关系，三种算法都随着小区最小数据数率的增加而降低小区覆盖概率，但是本发明所提供的方法一直优于其他两种算法。从上述图中可以得出，本发明提供的方法在各个方面一直优于固定功率分配算法和分数阶功率分配算法。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1：首先基站检测出各用户的信道状态信息，并将信道状态信息按从大到小顺序排列；其次列出单小区多用户系统下的总容量公式；最后建立单小区多用户系统容量的优化模型。

S2：对目标函数即系统容量进行公式转换，将其改写成多个增函数的线性叠加和。

S3：用平均功率分配算法分配各子载波功率。

S4：基站选取各用户的发射功率使每个增函数在定义域内达到最大，并得到各子载波上各用户的分配功率。

2.权利要求1所述的一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，所述步骤S1的具体方法为：

1)单小区多用户系统下的总容量为：

其中，N_SC为系统设置的子载波个数，u为子载波接入的用户数，R_i,n表示为第n个子载波上第i个用户的容量。

2)建立单小区多用户系统容量的优化模型为：

其中，R_sum为每个子带多用户系统和速率,R_i,n为第n个子载波第u个用户的数据速率，R_min为用户最小速率，P_T为基站发射功率。

3.根据权利要求1所述的一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，所述步骤S2的具体方法为：

其中，

P_m＝p_1,n+…+p_m,n,P_u＝p_1,n+…+p_u,n，假设|h_m,n|²已知，并且|h_m,n|²-|h_m+1,n|²＞0，则f(P_m)，g(P_u)分别是关于P_m和P_u的增函数，即原目标函数可以是多个增函数的线性叠加和。

4.根据权利要求1所述的一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，所述步骤S3的具体方法为：

P_t＝P_T/N_SC

其中，P_t为子载波用户总功率，P_T为基站发射的总功率，N_SC为系统分配的子载波个数。

5.根据权利要求3所述的一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，基站分配给各子载波上的各用户的分配功率为：

1)小区中第n个子载波第u-1个用户分配的功率为：

p_u,n＝P_u-P_m

2)小区中第小区中第n个子载波第u-1个用户分配的功率为：

3)判断式2)中p_u-1,n是否等于p_2,n，若相等，则利用拉格朗日-KKT条件求解p_1,n，若不相等，则重复执行式2)。

6.根据权利要求5中所述的一种基于多用户的非正交多址接入技术的功率分配方法，其特征在于，所得到的各用户的功率为：

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