CN110446250B - 针对cr-noma混合系统的二步功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在CR‑NOMA混合系统中进行二步功率分配的方法，在第一阶段的功率分配中，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，最大化接入系统中的从用户数量；第二阶段功率分配中，从公平性角度出发，最大化接入系统中的性能最差的从用户的SINR；本发明细化了混合系统中主用户和从用户相互干扰的部分，第一步功率分配在于最大化接入系统中的从用户数量，第二步功率分配则是在第一步的基础上，对分配之后的剩余功率进行再分配，最大化已接入系统中的性能最差的从用户的SINR，即从公平性的角度出发对从用户进行SINR的提升。

Description

针对CR-NOMA混合系统的二步功率分配方法

技术领域

本发明属于CR-NOMA的混合系统技术领域，特别涉及一种针对CR-NOMA混合系统的二步功率分配方法。

背景技术

认知无线网络(CRN，Cognitive Radio Networks)可以通过混合的架构以及动态的频谱接入技术实现主从用户在同一个时刻利用同一个频段进行通信，大大提升频谱的利用效率。除此之外，非正交多址接入(NOMA，Non-Orthogonal Multiple Access)通过在功率域对多个用户进行复用，可以在发送端实现用户信号的叠加，并且在接收端可以通过连续干扰抵消(SIC,Successive Interference Cancellation)技术对叠加信号进行解码分离，同样可以提升频谱的利用率并且在系统的容量和吞吐量上获得较为显著的成效。可以看出，CRN和NOMA可以通过合适的功率分配进行结合，对CR-NOMA这样一个混合网络进行研究是具有重要理论意义和实用价值。

经对现有的文献进行检索后发现，在这样一个CR-NOMA的混合系统中，大部分文献仅仅在考虑了从用户的情况下就对系统性能进行分析，或者只是对从用户设置一个干扰门限，但是没有说明这个门限和主用户存在什么关系。没有文章或发明在同时考虑了主用户和从用户的前提下对系统进行功率分配，并对分配之后剩余的功率进行二次利用，以往有部分文献研究过max-min的问题，但是没有文献在考虑了接入数量的基础上再研究该问题。《Power Allocation for Cognitive Radio Networks Employing Non-orthogonalMultiple Access》和《A Two-Phase Power Allocation Scheme for CRNs EmployingNOMA》虽然对CR-NOMA进行了研究，并对从用户进行了功率分配，其不足就在于没有动态考虑主用户对从用户产生的限制，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，则从用户收到的约束条件也一定会相应改变，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，提供一种针对CR-NOMA混合系统的二步功率分配方法，该方法细化了CR-NOMA中主用户对从用户产生的限制，并对从用户进行二个阶段的功率分配，在考虑了接入数量的基础上研究max-min问题。在充分考虑每个主用户的功率，信道增益，信干噪比(SINR，Signal-to-Interference-plus-Noise)以及每个从用户的信道的情况下，让从用户以NOMA的方式接入系统，并且确保从用户不会对主用户正常通信造成影响，第一阶段的功率分配可以最大化接入系统的从用户数量，第二阶段的功率分配则是在前一个阶段的基础上，对其分配后剩余的功率进行二次分配，最大化已接入系统中的最差的从用户的SINR。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种在CR-NOMA混合系统中进行二步功率分配的方法，本方法针对下行链路通信的情况，考虑CR系统主从用户之间采用Underlay模式，从用户在小区中通过从基站进行通信，同时还有若干对主发送机和主接收机随机分布在小区中，主接收机即为主用户，设主用户和主发送机之间采用短距离通信的模式，不会对其他用户产生干扰，但是从用户是采用长距离通信的模式，因此从用户会对其余的从用户以及主用户产生干扰，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是分别由其SINR决定的；在第一阶段的功率分配中，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，最大化接入系统中的从用户数量；第二阶段功率分配中，从公平性角度出发，最大化接入系统中的性能最差的从用户的SINR。

具体地讲：一种基于CR-NOMA混合网络的二步功率分配方法，包括以下两个阶段共五个步骤：

第一阶段功率分配，最大化接入系统的从用户数量：

步骤一：计算主用户的功率：根据主用户的信道情况和正常通信所需要的SINR阈值，计算每个主用户所需要的功率，首先完成主用户的功率分配；

步骤二：计算从基站发射的总功率P：混合系统首先必须确保主用户的正常通信，根据主用户SINR必须大于其正常通信时的阈值，计算出对从基站总功率的约束；

步骤三：根据P对从用户进行功率分配：从用户之间采用NOMA的方式接入系统，采用SIC抵消NOMA带来的从用户之间的干扰，使系统能够接入的从用户数量更多；

第二阶段功率分配，最大化系统中最差从用户的SINR：

步骤四：根据第一阶段得到的结果建立功率再分配优化模型，对已接入系统中的从用户进行SINR的提升：经过第一阶段的功率分配，已经在确保主用户正常通信的前提下最大化了接入系统中的从用户数量，此时从基站仍存在部分功率没有分配，这部分功率不足以接入下一个从用户，但是能够重新用于已接入系统中的从用户，这部分从用户中存在一个或多个SINR最差的从用户，提升这部分从用户的SINR；

步骤五：采用二分法对剩余功率进行二次分配，完成优化问题的求解：将已接入系统中的从用户进行分组，SINR相同的为一组，每次求解始终提升SINR最差的那组从用户的功率。

所述第一阶段功率分配的步骤一中，每个主用户所需的功率需满足：

其中：g_i表示第i个主发送机至主用户的信道系数，P₁是主用户所需的功率，即主发送机的功率，为了简便，认为所有主发送机的功率是相同的，r_i表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，h_i表示从基站至第i个主用户的信道系数，P是从基站发射的总功率，σ²则表示背景白噪声的功率。

所述第一阶段功率分配的步骤二中，从基站发射的总功率P的约束，如下式：

其中：P_max是从基站最大能发射的功率，g₁表示第1个主发送机至主用户的信道系数，r₁表示第1个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，h₁表示从基站至第1个主用户的信道系数，以此类推，下标N表示主用户的个数。

所述第一阶段功率分配的步骤三中，采用了SIC技术之后，得到每个从用户i的功率如下：

其中：α_i表示从基站分配给第i个从用户的功率分配因子，

表示第i个从用户正常通信时的SINR阈值，q_i表示从基站到从用户i的信道系数，α_k表示从基站分配给第k个从用户的功率分配因子，下标k是求和变量，表明从1一直加到i-1，

每个从用户以

所要求的SINR进行通信，此时通过迭代得到第j个从用户的功率分配因子α_j为：

其中：q_j表示从基站到从用户j的信道系数，

表示第j个从用户正常通信时的SINR阈值，k是求和变量，表明从1一直加到j-1，每个从用户的功率分配因子通过有顺序的迭代来求解，

其迭代的终止条件为：

其中：q_m+1表示从基站到从用户m+1的信道系数，

表示第m+1个从用户正常通信时的SINR阈值；

即从基站总功率所剩下的能继续分配的功率不足以支持第m+1个及之后的从用户接入系统了，迭代终止，此时得到接入系统中的最大的从用户数量。

所述第二阶段功率分配的步骤四中，经过第一阶段功率分配，已经在确保主用户正常通信的前提下，最大化了接入系统中的从用户数量，此时从基站存在部分功率没有分配被浪费了，重新用于已接入系统中的从用户，这部分从用户中存在一个或多个SINR最差的从用户，提升这部分从用户的SINR，优化模型如下：

s.t.γ_i≥r_i,i＝1,...,N

P≤P_max

其中：

表示已接入系统中的第i个从用户的功率分配因子，γ_i表示第i个主用户SINR，Γ_i表示第i个从用户的SINR，ω是经过第一阶段的功率分配后，最大能接入的从用户数量，

表示已接入系统中的从用户的SINR矩阵，即

其中，下标表示从用户的编号，即

表示已接入系统中的从用户1的SINR矩阵。

所述第二阶段功率分配的步骤五中，采用二分法对剩余功率进行二次分配，获得二次分配之后，最差的从用户所能提升的SINR：

当所有从用户的功率都相同的时候，l表示二分法的下界，u表示二分法的上界，

表示二分求解过程中的中间解，q₁表示从基站到第1个从用户的信道系数，若优化问题可行，则

否则

直到上下界的差小于某个常数，如该常数为10^-6，则获得最优解

根据最优解进行功率分配，确保功率得到完全的利用，并且接入系统中的从用户，SINR最差的那部分从用户得到最大程度的提升。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明细化了混合系统中主用户和从用户相互干扰的部分，第一步功率分配在于最大化接入系统中的从用户数量，第二步功率分配则是在第一步的基础上，对分配之后的剩余功率进行再分配，最大化已接入系统中的性能最差的从用户的SINR，即从公平性的角度出发对从用户进行SINR的提升。

附图说明

图1是系统模型示意图。

图2是第二次功率分配求解的算法流程图。

图3是两次分配的结果随主用户数量的变化关系。

图4是两次分配的结果随从用户SINR阈值的变化关系。

图5是两次分配的结果随请求接入的从用户数量的变化关系。

具体实施方式

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：

第一阶段功率分配，最大化接入系统的从用户数量：

步骤一：计算主用户的功率：根据主用户的信道情况和正常通信所需要的SINR阈值，计算每个主用户所需要的功率，首先完成主用户的功率分配。

如图1所示，本实施例考虑一个混合的CR-NOMA系统的下行链路，N个从用户随机分布在小区中，根据小区中心的从基站进行通信。同时，小区中还随机分布有M对主收发信机，假定主用户之间是短距离通信，即主用户只能检测到对应主发送机的信号，而从用户是采用长距离模式进行通信，因此从用户之间会产生互相干扰，并且还会对主用户产生干扰，但是主用户却不会对其余用户产生干扰。由于这种通信方式，因此必须考虑从用户对主用户造成的干扰以及主从用户各自的QoS要求，主从用户的QoS要求分别由其信干噪比SINR决定。

系统的传输参数分别如下，h_i表示从基站至第i个主用户的信道系数，g_i表示第i个主发送机至主用户的信道系数，σ²则表示背景白噪声的功率，P是从基站发射的总功率，P₁是主用户所需的功率，即主发送机的功率，认为所有主发送机的功率是相同的，在传统的CRN中，采用underlay模式的从用户之间是相互正交的，从用户对主用户的干扰则通过分频、分时或分码进行，但是由于本实施例中从用户之间从OMA变成了NOMA，因此从用户的信号是相互叠加后产生的混合信号，对于主用户来说，可以将从基站的总功率作为干扰整体来进行计算，因此主用户的信干噪比γ_i表示如下：

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：

γ_i≥r_i (2)

其中：r_i表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值。

在CR-NOMA系统中，首先要确保主用户的正常通信，将(1)代入(2)中，并且认为主用户就以r_i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：计算从基站所能分配的总功率P：混合系统首先必须确保主用户的正常通信，根据主用户SINR必须大于其正常通信时的阈值，计算出对从基站总功率的约束。

主用户的正常通信是首先要满足的，根据(2)可以看出，主用户如果要正常通信，其SINR必须大于等于r_i，故主用户i对从基站发射的总功率P约束为：

将(4)运用于所有的主用户，可以得到对从基站发射的总功率P的约束，有如下的式子：

其中：P_max是从基站最大能发射的功率，g₁表示第1个主发送机至主用户的信道系数，r₁表示第1个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，h₁表示从基站至第1个主用户的信道系数，以此类推，下标N表示主用户的个数。

至此得到了从基站的总功率P，根据上面的推导可以发现，P确保了从用户不会影响SINR要求最高的主用户的正常通信，即不会对所有的主用户造成影响。

步骤三：根据P对从用户进行功率分配：从用户之间采用NOMA的方式接入系统，采用SIC可以抵消NOMA带来的从用户之间的部分干扰，使系统能够接入的从用户数量更多。

根据(5)可以得到从基站的总功率P，此时第一阶段的功率分配问题就变成了如何根据P在从用户之间进行合理的分配。

对于从用户而言，不失一般性，可以认为从用户的信道增益是逐渐递减的，即：

|q₁|²≥|q₂|²≥...≥|q_m|²≥...≥|q_M|² (6)

其中：q_m表示从基站到从用户m的信道系数，下标M表示请求接入系统中的从用户个数。

在保证了主用户的QoS之后，从用户的QoS同样需要满足，可以得到从用户i的QoS要求Γ_i：

其中：α_i表示从基站分配给第i个从用户的功率分配因子，

表示第i个从用户正常通信所必须满足的SINR阈值，q_i表示从基站到从用户i的信道系数，α_k表示从基站分配给第k个从用户的功率分配因子，k是求和变量，表明从1一直加到i-1。由于采用了NOMA的接入方式，因此从用户之间的干扰项只需要信道条件比他差的那部分从用户。

根据(6)和(7)，从用户之间的功率是有相互的关联的，对从用户进行有序的迭代，可以达到分配功率的目的。对于第i个从用户而言，其功率分配因子α_i是由前i-1个从用户的功率分配因子α₁,α₂,...α_i-1所决定的，因为这部分从用户的信道增益都比这个从用户好。可以看出随着i增加，从用户的信道增益是越来越差的，每个从用户需要的功率就越来越多。只要受约束的从基站的总功率P和前i-1个从用户的功率分配因子

已知，就可以求得第i个从用户的功率分配因子。具体的求解算法如下：认为第i个从用户就以

进行通信，此时第一个从用户1，信号最好的从用户的功率因子α₁为：

其中：α₁表示从基站分配给第1个从用户的功率分配因子，

表示第1个从用户正常通信时的SINR阈值，q₁表示从基站到从用户1的信道系数；

根据α₁和(7)，第2个从用户的功率分配因子α₂为：

其中：α₂表示从基站分配给第2个从用户的功率分配因子，

表示第2个从用户正常通信时的SINR阈值，q₂表示从基站到从用户2的信道系数；

以此类推，可以得到第j个从用户的功率分配因子α_j的表达式为：

其中：q_j表示从基站到从用户j的信道系数，

表示第j个从用户正常通信时的SINR阈值，下标k是求和变量，表明从1一直加到j-1；

根据(10)可以迭代求得每个从用户在其阈值所要求下所需要的功率分配因子，但是在迭代的过程中，完全没有考虑从用户对主用户的干扰，即没有考虑(5)对于从基站的约束P，因此每求出一个从用户的功率分配因子α_j，就需要对目前已分配出去的总功率进行一次计算，以确保

因此(10)的迭代终止条件为：

其中：q_m+1表示从基站到从用户m+1的信道系数，

表示第m+1个从用户正常通信时的SINR阈值；

(11)表示第m+1个从用户所需要分配的功率大于从基站P所剩下的能继续分配的功率，此时剩下的功率不足以支持第m+1个从用户接入系统了，并且根据(6)可以看出，第m+1及其之后的从用户信道增益越来越差，需要的功率会越来越多，因此这些从用户{m+1,...,M}如果接入系统，必定会对主用户产生影响，只能将其功率分配因子置为0，从而保证主用户的正常通信。

第二阶段功率分配，最大化系统中最差从用户的SINR：

步骤四：根据第一阶段得到的结果建立功率再分配优化模型，对已接入系统中的从用户进行SINR的提升：经过第一阶段的分配，已经在确保主用户正常通信的前提下最大化了接入系统中的从用户数量，此时从基站仍存在部分功率没有分配，这部分功率不足以接入下一个从用户，但是可以重新用于已接入系统中的从用户，这部分从用户中存在一个或多个SINR最差，可以提升这部分从用户的SINR，优化模型如下：

s.t.γ_i≥r_i,i＝1,...,N (12a)

P≤P_max (12c)

其中：

表示已接入系统中的第i个从用户的功率分配因子，γ_i表示第i个主用户SINR，Γ_i表示第i个从用户的SINR，ω是经过第一阶段的功率分配后，最大能接入的从用户数量，

表示已接入系统中的从用户的SINR矩阵，即

其中，下标表示从用户的编号，即

表示已接入系统中的从用户1的SINR矩阵，(12a)表示主用户的正常通信，(12b)表示从用户的正常通信，(12c)表示从基站的总发射功率约束，(12d)表示已接入系统中的从用户所能分配到的总功率不能超过P，(12e)表示每个从用户得到的功率都是正的。

步骤五：采用二分法对剩余功率进行二次分配，完成优化问题的求解：将已接入系统中的从用户进行分组，SINR相同的为一组，每次求解始终提升SINR最差的那组从用户的功率，求解算法可以见图2，具体思路如下。

经过第一阶段的功率分配后，现在已经知道了系统中最大能接入的从用户数量ω以及每个从用户的SINR，因此，可以将从用户进行分组，SINR相同的从用户作为一组，认为一共可以分为θ组，第i组中的从用户数量为m_i，Γⁱ表示倒数第i差的从用户所在的组的SINR，如Γ¹就表示SINR最差的从用户所在的组的SINR，

则表示SINR最差的从用户所在的组中的第i个从用户的SINR。如果θ≥2，则直接将SINR最差的那一组用户的SINR提升到和倒数第二差的那组相同，并计算此时的功率分配对于优化问题(12)来说是否是可行解，如果可行，则代表还有剩余的功率可以分配，更新从用户的分组和每组内的从用户的数量，继续迭代；如果不可行，则代表剩下可以用来进行二次分配的功率不足以直接将性能最差的从用户的SINR提升到和倒数第二差一样，此时就需要用二分法求解优化问题(12)的最优解，即：

其中：l表示二分法的下界，u表示二分法的上界，

表示二分求解过程中的中间解，Γ¹表示SINR最差的从用户所在的组的SINR，Γ²表示SINR倒数第二差的从用户所在的组的SINR。如果

是可行解，则代表仍有剩余功率，

继续迭代，反之，则代表给最差的从用户注入的功率过多，超过了剩余的总功率，因此

继续迭代，直至上下界之差小于某个常数，则认为获得了优化问题的最优解

特别地，若所有的从用户的SINR阈值要求都相同，则经过第一阶段的功率分配后，每个接入系统中的从用户的SINR都是相同的，此时所有的从用户组成了一组，二分法的上下界可以简化为：

下界即为接入系统中的从用户的SINR阈值，上界则认为是将所有的功率都分配给信道条件最好的从用户的情况下的SINR，q₁表示从基站到第1个从用户的信道系数，此时同样进行二分迭代，也可以获得优化问题的最优解

本实施例考虑在CR-NOMA网络中下行链路的通信情况，从用户和主收发信机在从小区中随机分布，从基站位于小区的正中心，不考虑主用户之间的相互干扰，如果在受到了从用户的干扰下，主用户的SINR仍然高于其正常通信时的阈值，则认为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

和

其中：d_i代表第i个主发送机到第i个主用户的距离，

和

分别代表从基站到第i个从用户和第i个主用户的距离，β_i、

和

是均值为零，标准差为4的高斯随机变量，K₀＝10³综合考虑了系统传输时的各个因素。令白噪声的功率σ²＝120dBm，主发送机的发送功率为0.1w，主用户的SINR阈值始终比从用户高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，本实施例在对从用户进行二次功率分配的同时，详细考虑了主用户的各种情况，问题分析更加全面。

图3展示了本发明在考虑了在从用户的SINR阈值分别为5dB和10dB的时候，随着主用户数量的变化，系统中最大能接入的从用户数量以及二次分配后从用户提升的SINR的变化情况，请求接入的从用户数量为15。实线看左侧的坐标轴，虚线看右侧的坐标轴，可以看出，随着主用户数量的提升，系统中能够接入的从用户数量会不断下降，因为主用户数量增加，会使得从用户受到的约束增加，从而从基站能分配的总功率P会越来越小，因此能接入的从用户数量会越来越少。但是可以看到一个很有趣的现象，虽然从用户的数量减少了，但是经过二次分配之后，从用户的能够提升的SINR却在不断增加，这是因为从用户数量减少了之后，每个从用户得到的从基站的剩余功率就变多了，在从用户SINR阈值为10dB的情况下，提升效果较为明显。

图4展示了本发明考虑了在请求接入的从用户数量为5和10，主用户数量为10的情况下，随着从用户SINR阈值的提升，系统中接入的从用户数量和从用户提升的SINR的变化关系。实线虚线与坐标轴的对应关系与之前一样，可以看出，随着从用户SINR阈值的提升，每个从用户接入系统中的要求变高了，自然能够接入的数量就变少了，并且随着从用户数量的变少，每个从用户所能提升的SINR就不是线性的关系了。因为虽然数量变少了，但是每个从用户的要求也变高了，因此不能确保每个从用户在本身高要求的前提下能提升的效果还能不断增加，但是可以看出，不论在多少dB的情况下，经过了二次分配之后，从用户的SINR总能够得到提升，即二次分配确实是有意义的，并且仅仅经过第一次分配确实是存在部分功率被浪费的。

图5展示了本发明考虑了在主用户数量为15，从用户SINR阈值分别为5dB和10dB的情况下，系统中能够接入的从用户数量和从用户能够提升的SINR的变化关系。可以看出随着请求接入的从用户数量的提升，真正能够接入系统中的数量也会提升，在请求数量较少的时候提升的较快，之后提升速度越来越慢，由于主用户的存在，从基站能够分配的功率是有限的，虽然请求接入的数量在不断提升，但是真正能接入的数量是有限的，在请求数量较少的时候明显可以看出，经过二次分配之后，从用户的SINR能够得到极大的提升，提升效果达到2至3倍，说明在从用户数量较少的情况下存在大量的功率浪费，这也间接说明了本发明的有效性，当从用户数量较少的时候，多余的功率完全可以用于提升已接入的从用户的QoS。随着从用户数量的提升，每个从用户能够分配到的功率就会迅速下降，并且到最后会趋于平缓，虽然在从用户数量为15的时候，二次分配能够提升的效果比较有限，但是可以看出，仍然是比SINR阈值高，这再次说明了本发明的有效性。

与现有技术相比，本实施例具有以下有益效果：

本实施例将NOMA和认知无线网络相结合，针对CR-NOMA这样一个混合网络提出了一种二步功率分配方法，第一步功率分配能够最大化接入系统中的从用户数量，第二步功率分配能够利用第一步分配中被浪费的功率，提升已接入系统中的从用户的SINR。本实施例在二步功率分配的过程中仔细考虑了主用户的信道增益，数量，SINR阈值以及每个主用户的功率，在此基础上对从用户进行两次功率分配，适用范围更广，并且将功率的利用率做到了最大。

仿真结果表明，在从用户数量较少的时候，经过二次分配可以大大提升已接入从用户的SINR，说明在这种情况下仅仅进行一次功率分配，虽然可以最大化接入系统中的从用户数量，但是由于从用户数量本身较少，因此存在大量的功率浪费，从用户SINR的极大提升可以说明本发明的有效性。不论在哪种情况下，可以看到经过二次分配之后，从用户的SINR都能得到提升，这也说明了一次功率分配存在的不足，即总会有部分功率被浪费，本发明弥补了该分配方式的不足，将剩余的功率进行二次分配，既提高了功率的利用率，又提升了从用户的QoS。

一种在CR-NOMA混合系统中进行二步功率分配的方法。在这样一个系统中，首先需要满足频谱授权的主用户的服务质量QoS，即未授权的从用户对于主用户的干扰要在主用户能够承受的范围内，与此同时，从用户的QoS同样需要得到满足。通过确保主用户的QoS，可以得到从基站所能分配的总功率，对该功率进行分配，可以保证主用户的正常通信。对于从用户而言，充分考虑NOMA系统的特性，在不影响主用户正常通信的前提下，根据从基站可以分配的总功率对每一个从用户以NOMA的方式进行功率分配，最大化能够接入系统的从用户数量；其次，第二步功率分配在之前的基础上，将第一步功率分配后从基站遗留的被浪费的功率进行二次利用，将其重新分配于已接入系统中的从用户，提升该部分从用户的QoS。由于从基站的总功率并没有发生变化，因此在进行二次分配的过程中，也能确保主用户的QoS。本发明仔细研究了CR-NOMA中主用户的部分，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考虑的情况更为完善，不仅可以接入更多的从用户数量，还能进一步提升这些从用户的QoS，提升频谱效率的同时进一步提升功率的利用率。

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 (2)

1.一种在CR-NOMA混合系统中进行二步功率分配的方法，其特征在于，针对下行链路通信的情况，考虑CR系统主从用户之间采用Underlay模式，从用户在小区中通过从基站进行通信，同时还有若干对主发送机和主接收机随机分布在小区中，主接收机即为主用户，从用户采用长距离通信的模式，从用户会对其余的从用户以及主用户产生干扰，每个主用户存在最大可以容忍的干扰门限，而主用户和从用户的QoS是分别由其SINR决定的；在第一阶段的功率分配中，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，最大化接入系统中的从用户数量；第二阶段功率分配中，从公平性角度出发，最大化接入系统中的性能最差的从用户的SINR；

二步功率分配方法，括以下两个阶段共五个步骤：

第一阶段功率分配，最大化接入系统的从用户数量：

步骤一：计算主用户的功率：根据主用户的信道情况和正常通信所需要的SINR阈值，计算每个主用户所需要的功率，首先完成主用户的功率分配；

步骤二：计算从基站发射的总功率P：混合系统首先必须确保主用户的正常通信，根据主用户SINR必须大于其正常通信时的阈值，计算出对从基站总功率的约束；

步骤三：根据P对从用户进行功率分配：从用户之间采用NOMA的方式接入系统，采用SIC抵消NOMA带来的从用户之间的干扰，使系统能够接入的从用户数量更多；

第二阶段功率分配，最大化系统中最差从用户的SINR：

步骤四：根据第一阶段得到的结果建立功率再分配优化模型，对已接入系统中的从用户进行SINR的提升：经过第一阶段的功率分配，已经在确保主用户正常通信的前提下最大化了接入系统中的从用户数量，此时从基站仍存在部分功率没有分配，这部分功率不足以接入下一个从用户，但是能够重新用于已接入系统中的从用户，这部分从用户中存在一个或多个SINR最差的从用户，提升这部分从用户的SINR；

步骤五：采用二分法对剩余功率进行二次分配，完成优化问题的求解：将已接入系统中的从用户进行分组，SINR相同的为一组，每次求解始终提升SINR最差的那组从用户的功率；

所述第一阶段功率分配的步骤一中，每个主用户所需的功率需满足：

其中：g_i表示第i个主发送机至主用户的信道系数，P₁是主用户所需的功率，即主发送机的功率，认为所有主发送机的功率是相同的，r_i表示第i个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，h_i表示从基站至第i个主用户的信道系数，P是从基站发射的总功率，σ²则表示背景白噪声的功率；

所述第一阶段功率分配的步骤二中，从基站发射的总功率P的约束，如下式：

其中：P_max是从基站最大能发射的功率，g₁表示第1个主发送机至主用户的信道系数，r₁表示第1个主用户正常通信所必须满足的SINR阈值，h₁表示从基站至第1个主用户的信道系数，以此类推，下标N表示主用户的个数；

所述第一阶段功率分配的步骤三中，采用了SIC技术之后，得到每个从用户i的功率如下：

其中：α_i表示从基站分配给第i个从用户的功率分配因子，

表示第i个从用户正常通信时的SINR阈值，q_i表示从基站到从用户i的信道系数，α_k表示从基站分配给第k个从用户的功率分配因子，下标k是求和变量，表明从1一直加到i-1，

每个从用户以

所要求的SINR进行通信，此时通过迭代得到第j个从用户的功率分配因子α_j为：

其中：q_j表示从基站到从用户j的信道系数，

表示第j个从用户正常通信时的SINR阈值，下标k是求和变量，表明从1一直加到j-1每个从用户的功率分配因子通过有顺序的迭代来求解，

其迭代的终止条件为：

其中：q_m+1表示从基站到从用户m+1的信道系数，

表示第m+1个从用户正常通信时的SINR阈值；

即从基站总功率所剩下的能继续分配的功率不足以支持第m+1个及之后的从用户接入系统了，迭代终止，此时得到接入系统中的最大的从用户数量；

所述第二阶段功率分配的步骤四中，经过第一阶段功率分配，已经在确保主用户正常通信的前提下，最大化了接入系统中的从用户数量，此时从基站存在部分功率没有分配被浪费了，重新用于已接入系统中的从用户，这部分从用户中存在一个或多个SINR最差的从用户，提升这部分从用户的SINR，优化模型如下：

s.t.γ_i≥r_i,i＝1,...,N

P≤P_max

其中：

表示已接入系统中的第i个从用户的功率分配因子，γ_i表示第i个主用户SINR，Γ_i表示第i个从用户的SINR，ω是经过第一阶段的功率分配后，最大能接入的从用户数量，

表示已接入系统中的从用户的SINR矩阵，即

其中，下标表示从用户的编号，即

表示已接入系统中的从用户1的SINR矩阵；

所述第二阶段功率分配的步骤五中，采用二分法对剩余功率进行二次分配，获得二次分配之后，最差的从用户所能提升的SINR：

当所有从用户的功率都相同的时候，l表示二分法的下界，u表示二分法的上界，

表示二分求解过程中的中间解，q₁表示从基站到第1个从用户的信道系数，若优化问题可行，则

否则

直到上下界的差小于某个常数，则获得最优解

根据最优解进行功率分配，确保功率得到完全的利用，并且接入系统中的从用户，SINR最差的那部分从用户得到最大程度的提升。

2.根据权利要求1所述的在 CR-NOMA 混合系统中进行二步功率分配的方法 ，特征在于，所述上下界的差小于某个常数，该某个常数为10^-6。

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