CN109768851B - 一种scma下行系统中基于能效的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法。在绿色通信的倡导下，保证用户传输质量，减少能量消耗和环境污染，来实现可持续发展，本发明所提供的能效优先的联合资源分配方法，以最大化系统能效为目标，提出一种基于能效的联合码本和功率的迭代分配算法，首先，假设功率固定分配，设计一个基于能效增益的码本分配方案；其次，考虑在码本分配固定的情况下，将功率分配转化为凸优化问题求解；最后迭代分配码本和功率，得到最大化能效。本发明在保证用户传输质量的同时，提升系统能效性能，对于SCMA下行系统的绿色通信具有重要意义。

Description

一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及到稀疏码多址接入技术(Sparse CodeMultiple Access,SCMA)的一种基于能效的资源分配方案。

背景技术

面向2020年及未来，数据流量、设备连接和业务需求呈爆炸性增长，第五代移动通信系统(5G)将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。

绿色通信是以节能减排为目标的通信理念，其主要目的在保证用户传输质量的前提下，减少能量消耗和环境污染，来实现可持续发展。在通信网中，接入设备的增多会导致接入网损耗的增大，而接入网在整个网络中的能量消耗占比很大。因此，在绿色通信的倡导下，减小接入网的能量消耗刻不容缓。

稀疏码多址接入技术(SCMA)是由华为公司提出的一种新型非正交多址接入技术。SCMA技术在提升系统吞吐量、降低系统接入时延、提升用户连接数等方面的巨大优势，非常适合未来的5G网络。与传统的OFDMA系统不同，其中一个子载波只能分配给一个用户，而SCMA系统中的一个子载波可以通过适当的码本分配在多个用户之间共享。

稀疏码多址接入技术(SCMA)的优势明显，使得SCMA技术应用于大规模连接需求的5G网络中也越来越受到关注。现有研究者大多研究的是系统容量问题，较少考虑到SCMA系统中的能效问题；在考虑能效问题的时候，很多都将码本随机分配，没有考虑到码本所带来的编码和映射增益。随着未来大规模连接需求的日益增加，降低接入网的能量损耗具有重要意义。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保证用户传输质量的同时，能有效地提升系统能效性能的SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法。本发明的技术方案如下：

一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其包括以下步骤：

步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解；

步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配；

步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配p_k,m，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日函数求解；

步骤四：联合资源分配方案：动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化。

进一步的，所述步骤一中的建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：

首先，建立系统能效模型。在一个单小区多用户SCMA下行系统，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M。由码本与子载波之间的对应关系u_m,n、码本分配s_k,m和功率分配p_k,m，求出下行系统中基站发射端处的总功率P_t和用户k使用码本m时的信噪比SNR，再计算出用户k使用SCMA码本m的速率R_k,m，定义系统能效η为系统总吞吐量与总消耗功率的比值，那么SCMA下行系统的能效为

其中，s_k,m表示码本分配，其中s_k,m＝1时表示码本m分配给了用户k，否则s_k,m＝0，p_k,m表示的是当用户k使用码本m时所分配的功率大小，P_c表示系统电路功率，ε为功放因子，d_v为子载波的最大复用次数。

最大化系统能效的同时，满足上述4个限制条件，①保证基站处的总发射功率P_t不大于其最大发射功率P_max；②保证每个用户最多分配一个SCMA码本；③保证在同一子载波上至多允许d_v个用户传输数据；④保证功率分配p_k,m的非负性。

根据建立的问题模型，系统能效取值与离散变量s_k,m和连续变量p_k,m相关，这是一个NP-hard的分数规划问题，属于非凸优化问题，解决此问题相对比较复杂。本算法将该模型的离散变量和连续变量拆分为两个子问题：1)进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m；2)进行固定码本分配条件下的功率分配p_k,m。

进一步的，所述步骤二中进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配，具体包括：

令C表示系统可用的码本集合，U表示未分配码本的用户集合，Ω_k表示用户占用的码本集合，每个用户分配功率

Step1:在集合C中寻找一个码本m^*，使其码本m中所占用的子载波n都满足复用次数不大于d_v；

Step2:遍历用户，计算系统能效增益Δη_k；

其中，在子载波n上用户k使用码本m的功率与码本设计有关，是根据比例因子α_m,n分配的；h_k,n表示在子载波n上，基站到用户k的信道增益。

Step3:若至少有一个用户满足系统能效增益Δη_k≥0，表明该码本分配给用户后，系统能效会提升，那么将得到最大

的用户k^*与该码本m^*匹配；若所有用户的系统能效增益Δη_k＜0，则寻找最小

的用户与该码本匹配；此时用户占用的码本集合Ω_k＝Ω_k∪{m^*}，可用码本集合C＝C-{m^*}，未分配码本的用户集合U＝U-{k^*}；

Step4：直至所有码本分配完成，最终码本分配表示为

进一步的，所述步骤三中的进行固定码本分配条件下的功率分配，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，假设q为最优能效，那么原能效问题可以改写为

当且仅当时F(q,p_k,m)＝0，能得到最优能效q^*。当优化问题为凸优化问题，故可以采用拉格朗日对偶函数解决多约束的能效优化问题。再根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件，即非线性规划最佳解的必要条件，计算出功率分配的最优解

进一步的，所述步骤四中的联合资源分配方案，通过动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化，具体如下：

(1)初始化每个用户分配的功率(功率均分)，以及迭代次数；

(2)通过

得到码本分配s_k,m；

(3)通过拉格朗日对偶函数求解得到功率分配

更新拉格朗日乘子，直到拉格朗日乘子收敛；

(4)通过

更新码本分配s_k,m；

(5)重复步骤(3)、(4)，直到达到最大迭代次数或者算法收敛；此时，得到最大系统能效η。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明是在SCMA下行系统中进行研究的，一是可以提升用户接入数量，二是在满足用户传输质量要求下提出一种基于能效的资源分配方案。其中先设计一种基于能效增益的码本分配方案，再将功率模型由非凸优化转化为凸优化问题，利用拉格朗日函数求解功率分配，最后依次迭代分配码本和功率，提升了系统的能效性能，实现了绿色通信。

附图说明

图1是本发明优选实施例的系统模型示意图；

图2为本发明优选实施例的流程示意图；

具体实施方式

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、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

如图1所示：假设一个单小区多用户SCMA下行蜂窝网络，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M。为了避免小区内的同个码本的干扰，规定每个用户最多只能分配一个码本。考虑到SCMA码字的稀疏特性，可以采用消息传递算法(MPA)来检测相同子载波上的复用信号。因此，不同的码本可以被认为是正交资源，并且通过用户分配码本来实现多址接入。基于图1的系统模型，本发明公开了一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方案，如图2所示，基于能效的资源分配方案可以包括以下步骤：

步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：

1)由码本与子载波之间的对应关系u_m,n、码本分配s_k,m和功率分配p_k,m，求出下行系统中基站发射端处的总功率P_t和用户k使用码本m时的信噪比SNR；再计算出用户k使用SCMA码本m的速率R_k,m；

2)定义系统能效η为系统总吞吐量与总消耗功率的比值，建立SCMA下行系统的能效模型，最大化系统能效的同时，满足上述4个限制条件:

①保证基站处的总发射功率P_t不大于其最大发射功率P_max；

②保证每个用户最多分配一个SCMA码本；

③保证在同一子载波上至多允许d_v个用户传输数据；

④保证功率分配p_k,m的非负性。

其中，s_k,m表示码本分配，其中s_k,m＝1时表示码本m分配给了用户k，否则s_k,m＝0，p_k,m表示的是当用户k使用码本m时所分配的功率大小，P_c表示系统电路功率，ε为功放因子，d_v为子载波的最大复用次数。

根据建立的问题模型，系统能效取值与离散变量s_k,m和连续变量p_k,m相关，这是一个NP-hard的分数规划问题，属于非凸优化问题，解决此问题相对比较复杂。本算法将该模型的离散变量和连续变量拆分为两个子问题：1)进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m；2)进行固定码本分配条件下的功率分配p_k,m。

步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配，具体包括：

令C表示系统可用的码本集合，U表示未分配码本的用户集合，Ω_k表示用户占用的码本集合，每个用户分配功率

Step1:在集合C中寻找一个码本m^*，使其码本m中所占用的子载波n都满足复用次数不大于d_v；

Step2:遍历用户，计算系统能效增益Δη_k；

其中，在子载波n上用户k使用码本m的功率与码本设计有关，是根据比例因子α_m,n分配的；h_k,n表示在子载波n上，基站到用户k的信道增益。

Step3:若至少有一个用户满足系统能效增益Δη_k≥0，表明该码本分配给用户后，系统能效会提升，那么将得到最大

的用户k^*与该码本m^*匹配；若所有用户的系统能效增益Δη_k＜0，则寻找最小

的用户与该码本匹配；此时用户占用的码本集合Ω_k＝Ω_k∪{m^*}，可用码本集合C＝C-{m^*}，未分配码本的用户集合U＝U-{k^*}；

Step4：直至所有码本分配完成，最终码本分配表示为

步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，假设q为最优能效，那么原能效问题可以改写为

当且仅当时F(q,p_k,m)＝0，能得到最优能效q^*。当优化问题为凸优化问题，故可以采用拉格朗日对偶函数解决多约束的能效优化问题。再根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件，即非线性规划最佳解的必要条件，计算出功率分配的最优解

步骤四：联合资源分配方案，通过动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化，具体如下：

(1)初始化每个用户分配的功率(功率均分)，以及迭代次数；

(2)通过

得到码本分配s_k,m；

(3)通过拉格朗日对偶函数求解得到功率分配

更新拉格朗日乘子，直到拉格朗日乘子收敛；

(4)通过

更新码本分配s_k,m；

(5)重复步骤(3)、(4)，直到达到最大迭代次数或者算法收敛，此时，得到最大系统能效η。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。

Claims (2)

1.一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解；

步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配；

步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配p_k,m，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日对偶函数求解；

步骤四：联合资源分配方案：动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化；

所述步骤一中的建立SCMA下行系统的能效模型，将优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：

首先，建立系统能效模型；在一个单小区多用户SCMA下行系统，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M；由码本与子载波之间的对应关系u_m,n、码本分配s_k,m和功率分配p_k,m，求出下行系统中基站发射端处的总功率P_t和用户k使用码本m时的信噪比SNR，再计算出用户k使用SCMA码本m的速率R_k,m，定义系统能效η为系统总吞吐量与总消耗功率的比值，那么SCMA下行系统的能效为

其中，s_k,m表示码本分配，其中s_k,m＝1时表示码本m分配给了用户k，否则s_k,m＝0，p_k,m表示的是当用户k使用码本m时所分配的功率大小，P_c表示系统电路功率，ε为功放因子，d_v为子载波的最大复用次数；

最大化系统能效的同时，满足4个限制条件，①保证基站处的总发射功率P_t不大于其最大发射功率P_max；②保证每个用户最多分配一个SCMA码本；③保证在同一子载波上至多允许d_v个用户传输数据；④保证功率分配p_k,m的非负性；

所述步骤二中进行固定功率分配条件下的码本分配s_k,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配，具体包括：

令C表示系统可用的码本集合，U表示未分配码本的用户集合，Ω_k表示用户占用的码本集合，每个用户分配功率

Step1:在集合C中寻找一个码本m^*，使其码本m中所占用的子载波n都满足复用次数不大于d_v；

Step2:遍历用户，计算系统能效增益Δη_k；

其中，在子载波n上用户k使用码本m的功率与码本设计有关，是根据比例因子α_m,n分配的；h_k,n表示在子载波n上，基站到用户k的信道增益；

Step3:若至少有一个用户满足系统能效增益Δη_k≥0，表明该码本分配给用户后，系统能效会提升，那么将得到最大

的用户k^*与该码本m^*匹配；若所有用户的系统能效增益Δη_k＜0，则寻找最小

的用户与该码本匹配；此时用户占用的码本集合Ω_k＝Ω_k∪{m^*}，可用码本集合C＝C-{m^*}，未分配码本的用户集合U＝U-{k^*}；

Step4：直至所有码本分配完成，最终码本分配表示为

所述步骤三中的进行固定码本分配条件下的功率分配，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，假设q为最优能效，那么原能效问题可以改写为

当且仅当时F(q,p_k,m)＝0，能得到最优能效q^*，当优化问题为凸优化问题，采用拉格朗日对偶函数解决多约束的能效优化问题，再根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件，即非线性规划最佳解的必要条件，计算出功率分配的最优解

2.根据权利要求1所述的SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述步骤四中的联合资源分配方案，通过动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化，具体如下：

(1)初始化每个用户分配的功率(功率均分)，以及迭代次数；

(2)通过

得到码本分配s_k,m；

(3)通过拉格朗日对偶函数求解得到功率分配

更新拉格朗日乘子，直到拉格朗日乘子收敛；

(4)通过

更新码本分配s_k,m；

(5)重复步骤(3)、(4)，直到达到最大迭代次数或者算法收敛，此时，得到最大系统能效η。

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