CN110430613B - 多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明请求保护一种多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，属于网络资源分配领域，通过联合优化系统用户调度和功率分配，提出了一种用于用户调度和功率分配的迭代算法，以最大化系统能量效率。基于穷举搜索的最优用户调度用作系统性能基准，但它具有高计算复杂度。为了平衡系统性能和计算复杂性，提出了一种新的次优用户调度方案，用于在不同的子信道上调度用户。基于用户调度方案，通过内点法导出用户最优功率分配。通过将分数形式问题转化为等效的减法形式优化问题，提出了一种迭代功率分配算法，以最大化系统能量效率。仿真结果表明，所提出的用户调度算法能够获得最优的性能。

Description

多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法

技术领域

本发明属于针对多载波非正交多址接入系统的能量效率问题，提出最大化能量效率的资源分配方法。

背景技术

非正交多址(NOMA)利用接收机处的连续干扰消除技术来提高频谱效率。通过使用该技术，可以在同一子信道上复用多个用户以实现高和率。在本文中，我们通过考虑完美的信道状态信息来研究下行链路NOMA单小区网络的能效改进。节能资源调度问题被制定为非凸优化问题，具有中断概率限制，系统的最大功率，最小用户数据速率以及共享相同子信道的复用用户的最大数量的约束。与以前的工作不同，复用用户的最大数量可以大于2的资源分配。为了有效地解决这个问题，提出了一种用于用户调度和功率分配的迭代算法，以最大化系统能量效率。基于穷举搜索的最优用户调度用作系统性能基准，但它具有高计算复杂度。为了平衡系统性能和计算复杂性，提出了一种新的次优用户调度方案，用于在不同的子信道上调度用户。基于用户调度方案，通过内点法求出用户最优功率分配。通过将分数形式问题转化为等效的减法形式优化问题，提出了一种迭代功率分配算法，以最大化系统能量效率。仿真结果表明，所提出的用户调度算法能够获得最优的性能。

发明内容

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种最大化系统能量效率的多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法。本发明的技术方案如下：

一种多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其包括以下步骤：

步骤1、在满足用户服务质量和系统总发射功率的约束条件下，通过相互迭代地更新用户调度和功率分配来联合优化资源分配，建立系统能量效率最优化问题P1模型；

步骤2、由于P1模型一个非凸的混合规划问题，通过将优化问题解耦成用户调度和功率分配两个子问题。首先基于用户等功率分配，采用多对多双边博弈匹配先解决用户与子载波的匹配问题；

步骤3、基于得到的用户-子载波匹配，通过引入分式规划处理问题P1，得到问题P2；

步骤4、对问题P2应用内点法转化为无约束问题P3，求解用户功率分配；

步骤5、联合用户调度和功率分配迭代优化求解。

进一步的，所述步骤1能量效率最优化问题P1模型具体为：

受限制于：

在问题P1中，各参数定义如下：

为二进制变量用来表示子载波上用户的调度情况，B：表示系统带宽，N_F：表示系统中子载波数目，

表示子载波i上用户m的信号发射功率，

表示用户发射功率，k：表示系统中第k个用户，N_F：表示子载波数目， U：表示系统用户集合，

表示子载波i上用户m的噪声归一化信道响应，p_c：表示系统的消耗功率，P_t：表示系统允许的最大传输功率，R_m：表示为系统中用户m的可达速率，

蜂窝覆盖范围内用户要求的最低数据速率，G：子载波上最大的复用用户数量。

进一步的，所述步骤2采用多对多双边博弈匹配解决用户与子载波的匹配问题，具体包括：

步骤A1：根据信道状态信息，初始化用户的偏好列表Pref_(m)，未匹配的用户集合U_unMatch，为每个子载波现有的用户集合U′_match(SC_i)，此时U′_match(SC_i)＝φ；步骤A2：用户依据各自信道增益，得到相应的偏好列表Pref_(m)，根据

找到最大的

并发送配对请求；

步骤A3：把步骤A1中发送匹配请求的用户记作U_match(SC_i)，统计每个子载波上现有分配好的用户集合U′_match(SC_i)；

步骤A4：根据步骤A3的统计结果，如果|U′_match(SC_i)|+|U_match(SC_i)|＜G成立，子载波接受当前发送匹配请求的用户，并在集合U_UnMatch中删除匹配的用户，如果不成立，那么SC_i从该用户集中选取刚好为G的用户集合，满足

U_m∈U_m′＝Φ(SC_i)，

表示子载波SC_i上复用用户的能效，从集合U_UnMatch中删除匹配的用户，并将载波SC_i上匹配的用户对应的偏好列表中的值设置为零；

步骤A5：直到用户匹配完全。

进一步的，所述步骤3基于得到的用户-子载波匹配，通过引入分式规划处理问题P1，得到问题P2，具体包括：

定义

g(p)表示系统总的功耗，即问题P1的分母部分，将问题P1等效地转化为优化问题P2：

受限制于：

其中S为限制条件，λ为系统能效。

进一步的，所述采用内点法将P2问题转化为无约束问题P3，具体包括：将有约束最优化问题转化为一系列无约束最优化问题利用内点法求解时，构建惩罚函数的一般表达式为：

其中：

h₁(p)、h₂(p)、h₃(p)分别表示问题P1中限制条件C1、C2、C6构成的约束函数；

其中，τ_k是惩罚因子。

进一步的，所述步骤5通过联合用户调度和功率分配迭代算法求解具体包括：

步骤B1、基站将总的发射功率均等分配给每个用户，初始化所有未匹配的用户对和未匹配的子载波集，终止误差ε，设置迭代次数T＝1，最大迭代次数T_max，将系统能效置为E⁽⁰⁾；

步骤B2、执行步骤2得到用户和子载波的匹配情况；

步骤B3、根据得到的用户分组情况，求解用户功率分配，得到系统能效E^(T)；

步骤B4、如果E^(T)-E^(T-1)≤ε或者T≥T_max，结束算法；

步骤B5、令T＝T+1，跳转至步骤B2。

本发明的优点及有益效果如下：

本发明考虑系统的最大功率，最小用户数据速率以及共享相同子信道的复用用户的最大数量的约束，提出了一种用于用户调度和功率分配的迭代算法来解决多载波非正交多址接入的资源分配，最大化系统能效。由于该优化问题是一个非凸优化问题和NP难问题，通过将原问题解耦为用户和子载波匹配问题和功率分配问题。首先提出了子载波分配算法，在得到用户和子载波的匹配关系之后，使用分式规划将问题进一步转换为一系列非凸子问题，最后使用内点法求得原问题的解。

1、从能效角度展开对多载波非正交多址接入系统中资源分配的研究，将资源分配问题解耦成子载波分配和功率分配。在提高系统的能量效率的同时，减少系统能耗，实现绿色节能通信。

2、与以前的工作不同，复用用户的最大数量可以大于两个。提出了一种用于用户调度和功率分配的迭代算法，以最大化系统能量效率。基于现有穷举搜索的最优用户调度具有高计算复杂度。为了平衡系统性能和计算复杂性，提出了一种新的次优用户调度方案，用于在不同的子信道上调度用户。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例基于多载波非正交多址接入系统模型示意图。

图2系统能效随最大传输功率的变化情况变化曲线示意图。

图3系统能效随基站发射功率的变化曲线示意图。

图4是本发明提供优选实施例多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法流程图。

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：

参照图1，研究多载波非正交多址接入系统基于能量效率的资源分配问题，最大化系统的能量效率。在保障用户通信质量、基站发射功率的约束前提下，为最大化系统能量效率，提出一种联合用户调度和功率分配的资源分配算法。由于该优化问题是一个非凸优化问题和NP难问题，通过将原问题解耦为用户和子载波匹配问题和功率分配问题。首先提出了子载波分配算法，在得到用户和子载波的匹配关系之后，使用分式规划将问题进一步转换为一系列非凸子问题，最后使用内点法求得原问题的解。多载波非正交多址接入系统的能量效率最大化问题，所述控制方法包含以下步骤：

(1)在多载波非正交多址接入系统中，定义最优化问题为：在满足用户通信服务质量和基站发射功率约束条件下，通过对系统用户调度和功率分配联合优化，从而达到优化系统资源分配和提升系统能量效率的目的,该最优化问题描述为问题P1：

受限制于：

在问题P1中，各参数定义如下：

为二进制变量用来表示子载波上用户的调度情况。

B：表示系统带宽。

N_F：表示系统中子载波数目。

表示子载波i上用户m的信号发射功率。

表示子载波i上用户m的噪声归一化信道响应。

p_c：表示系统的消耗功率，P_t：表示系统允许的最大传输功率。

R_m：表示为系统中用户m的可达速率；

蜂窝覆盖范围内用户要求的最低数据速率。

G：子载波上最大的复用用户数量。

(2)采用多对多双边博弈匹配解决用户与子载波的匹配问题具体包括：

步骤1：根据信道状态信息，初始化用户的偏好列表Pref_(m)，未匹配的用户集合U_unMatch，为每个子载波现有的用户集合U′_match(SC_i)，此时U′_match(SC_i)＝φ。

步骤2：用户依据各自信道增益，得到相应的偏好列表Pref_(m)。根据

找到最大的

并发送配对请求。

步骤3：把步骤1中发送匹配请求的用户记作U_match(SC_i)，统计每个子载波上现有分配好的用户集合U′_match(SC_i)。

步骤4：根据步骤2的统计结果，如果|U′_match(SC_i)|+|U_match(SC_i)|＜G成立，子载波接受当前发送匹配请求的用户，并在集合U_UnMatch中删除匹配的用户。如果不成立，那么SC_i从该用户集中选取刚好为G的用户集合，满足

U_m∈U_m′＝Φ(SC_i)，从集合U_UnMatch中删除匹配的用户，并将载波SC_i上匹配的用户对应的偏好列表中的值设置为零。

步骤5：直到用户匹配完全。

(3)所述采用分式规划将P1问题转化为优化问题P2，具体包括：

定义

将问题P1等效地转化为优化问题P2：

受限制于：

其中S为限制条件，λ为系统能效。

(4)所述采用内点法将P2问题转化为无约束问题P3，得到问题P3，具体包括：

首先将约束最优化问题转化为一系列无约束最优化问题，然后利用内点法求解，内点法中用于构建惩罚函数的一般表达式为：

其中：

其中，τ_k是惩罚因子。

(5)所述通过联合用户调度和功率分配迭代算法求解具体包括：

步骤1、基站将总的发射功率均等分配给每个用户，初始化所有未匹配的用户对和未匹配的子载波集，终止误差ε，设置迭代次数T＝1，最大迭代次数T_max，将系统能效置为E⁽⁰⁾；

步骤2、采用多对多双边博弈匹配解决用户与子载波的匹配问题，得到用户和子载波的匹配情况。

步骤3、根据得到的用户分组情况，采用内点法将P2问题转化为无约束问题P3，求解用户功率分配，得到系统能效E^(T)；

步骤4、如果E^(T)-E^(T-1)≤ε或者T≥T_max，结束算法。

步骤5、令T＝T+1，跳转至步骤1。

在本节中，将通过蒙特卡罗模拟来评估本章提出的非正交多址接入系统资源分配算法的性能。验证所提算法的有效性。在该系统模型中，基站位于圆形小区中央，用户集U均匀分布在半径为500米的圆形范围内。将用户之间的最小间距设置为40米，将基站和用户之间的最小间距设置为50米。在NOMA和 OFDMA系统中，假设基站和用户之间信道的小尺度衰落被建模为独立且均匀的瑞利衰落分布。具体参数设置如下：该系统的总带宽为5MHz,路径损耗因子α＝3.6,最大用户数K＝60,载波上最大复用数G＝3,加性高斯白噪声功率谱密度σ²＝-170dBm/Hz，电路功耗P_c＝30dBm，最大发射功率P_max＝10dBm-50dBm，算法收敛精确度ε＝0.01。

在本实施例中，图1是多载波非正交多址接入系统模型示意图。图中基站配有单根天线，有K个单天线用户。显示了提出的用户调度和通过穷举搜索实现的最佳用户调度进行对比。为了评估所提用户调度算法性能，对每个用户采用等功率分配方案，并且总发射功率设为10dBm至45dBm。由于用户数量是固定的，因此总发射功率消耗增加时能量效率降低。这是因为发射功率消耗增长快于系统总和速率。尤其当发射功率大时,具有所提用户调度方案的NOMA系统的能效接近穷举搜索方案，当用户数量很大时,所提出的用户调度方案的复杂性低于最优解。由图3可以看出，表示了针对基站功率P_max＝40dBm的不同数量的用户的联合用户调度和功率分配算法的收敛情况。观察到整个迭代算法在5次迭代后收敛。当用户数量增加时，能效也随之上升。

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 (5)

1.一种多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在满足用户服务质量和系统总发射功率的约束条件下，通过相互迭代地更新用户调度和功率分配来联合优化资源分配，建立基于系统能效最优化的资源分配问题P1模型；

步骤2、由于P1模型一个非凸的混合规划问题，通过将优化问题解耦成用户调度和功率分配两个子问题，首先基于用户等功率分配，采用多对多双边博弈匹配先解决用户与子载波的匹配问题；

步骤3、基于得到的用户-子载波匹配情况，再进行用户功率分配，通过引入分式规划处理问题P1，得到问题P2；

步骤4、对问题P2应用内点法转化为无约束问题P3，求解用户功率分配；

步骤5、联合用户调度和功率分配迭代优化求解；

所述步骤1能量效率最优化问题P1模型具体为：

P1：

受限制于：C1:

C2:

C3:

C4:

C5:

C6:

在问题P1中，各参数定义如下：

为二进制变量用来表示子载波上用户的调度情况，B：表示系统带宽，N_F：表示系统中子载波数目，

表示子载波i上用户m的信号发射功率，

表示子载波i上用户n的发射功率，k：表示系统中第k个用户，N_F：表示子载波数目，U：表示系统用户集合，

表示子载波i上用户m的噪声归一化信道响应，p_c：表示系统的消耗功率，P_t：表示系统允许的最大传输功率，R_m：表示为系统中用户m的可达速率，

蜂窝覆盖范围内用户要求的最低数据速率，G：子载波上最大的复用用户数量。

2.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述步骤2采用多对多双边博弈匹配解决用户与子载波的匹配问题，具体包括：

步骤A1：根据信道状态信息，初始化用户的偏好列表Pref_(m)，未匹配的用户集合U_unMatch，每个子载波现有的用户集合U′_match(SC_i)，此时U′_match(SC_i)＝φ；

步骤A2：用户依据各自信道增益，得到相应的偏好列表Pref_(m)，根据

找到最大的

并发送配对请求；

步骤A3：把步骤A2中发送匹配请求的用户记作U_match(SC_i)，统计每个子载波上现有分配好的用户集合U′_match(SC_i)；

步骤A4：根据步骤A3的统计结果，如果|U′_match(SC_i)|+|U_match(SC_i)|＜G成立，子载波接受当前发送匹配请求的用户，并在集合U_UnMatch中删除匹配的用户，如果不成立，那么SC_i从该用户集中选取刚好为G的用户集合，满足

表示子载波SC_i上复用用户的能效，从集合U_UnMatch中删除匹配的用户，并将载波SC_i上匹配的用户对应的偏好列表中的值设置为零；

步骤A5：直到用户匹配完全。

3.根据权利要求2所述的多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述步骤3基于得到的用户-子载波匹配，通过引入分式规划处理问题P1，得到问题P2，具体包括：

定义

g(p)表示系统总的功耗，即问题P1的分母部分，将问题P1等效地转化为优化问题P2：

P2：

受限制于：

其中S为限制条件，λ为系统能效。

4.根据权利要求3所述的多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述采用内点法将P2问题转化为无约束问题P3，具体包括：将有约束最优化问题转化为一系列无约束最优化问题利用内点法求解时，构建惩罚函数的一般表达式为：

其中：

h₁(p)、h₂(p)、h₃(p)分别表示问题P1中限制条件C1、C2、C6构成的约束函数；

P3：

其中，τ_k是惩罚因子。

5.根据权利要求4所述的多载波非正交多址接入系统基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述步骤5通过联合用户调度和功率分配迭代算法求解具体包括：

步骤B1、基站将总的发射功率均等分配给每个用户，初始化未匹配的用户集合U_unMatch和未匹配的子载波集，终止误差ε，设置迭代次数T＝1，最大迭代次数T_max，将系统能效置为E⁽⁰⁾；

步骤B2、采用多对多双边博弈匹配解决用户与子载波的匹配问题，得到用户和子载波的分组情况；

步骤B3、根据得到的用户分组情况，采用内点法将P2问题转化为无约束问题P3，求解用户功率分配，得到系统能效E^(T)；

步骤B4、如果E^(T)-E^(T-1)≤ε或者T≥T_max，结束算法；

步骤B5、令T＝T+1，跳转至步骤B2。

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