CN110493875A - 下行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。基站根据信道条件以及每个用户的最低速率需求计算每个用户所需的最低功率以及每个簇所需的最低功率，对于每个簇，基站采用二分法找到该簇的功率不受限制时最大化该簇能量效率的功率，然后基于此结果，给出一种迭代的簇间功率分配方法，根据簇间功率分配的结果为每个用户分配功率。

Description

下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法。

背景技术

随着移动通信的迅猛发展，传统的多址接入技术已难以满足无线数据业务量的爆炸式增长。因此，第五代移动通信采用具有更高系统吞吐量和更高频谱效率的非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access，NOMA)技术。相较于传统多址接入技术在时域、频域和码域的研究，NOMA技术引入了一个新的维度即功率域，在基站端为多个用户分配不同的功率，然后将这些用户的信号叠加在相同的时频资源上，用户接收到信号后采用串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术检测期望接收的信号。功率分配不仅关系到各用户信号的检测次序，还影响到系统的可靠性和有效性，因此，NOMA系统中的功率分配是近年的研究热点之一。

很多文献研究了单小区下行NOMA系统中功率分配，其中功率分配的目标有三类：最大化和速率、最大化能量效率及最大公平。最大公平的功率分配方案以总功率或单个用户的速率作为约束条件，以多种公平性准则为目标求解功率。最大化能量效率的功率分配方案也以总功率或单个用户的速率作为约束条件，以最大化用户的和速率与总功率的比值为目标求解为各用户分配的功率。文献“On optimal power allocation for downlinknon-orthogonal multiple access systems”研究了多簇NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方案，然而该方案中每个簇仅包含两个用户。

发明内容

本发明提出了下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。

本发明是利用基站根据信道条件计算每个用户所需的最低功率以及每个簇所需的最低功率，对于每个簇，基站采用二分法找到该簇的功率不受限制时最大化该簇能量效率的功率，然后基于此结果，给出一种迭代的簇间功率分配方法，根据簇间功率分配的结果为每个用户分配功率。

综上所述，本发明提出的下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：

A，基站根据自身到MK个用户的信道将用户分簇，每个簇包含M个用户，共分为K个簇，用u_km表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到u_km的信道为h_km，|h_k1|²≥|h_k2|²≥…≥|h_kM|²，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；

B，基站计算单个用户所需的最低功率以及单个簇所需的最低功率；

C，对于第k个簇，基站采用二分法找到该簇的功率不受限制时最大化该簇能量效率的功率p_k′，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

D，基站为每个簇分配功率；

E，用表示步骤D中基站为第k个簇分配的功率，基站为u_k1分配功率基站为u_km分配功率p_km0，k＝1,2,…,K，m＝2,3,...,M，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数。

进一步，所述步骤B具体包括：

B1，用p_km表示基站为u_km分配的功率，p_k1≤p_k2≤…≤p_kM，p_k是基站为第k个簇分配的总功率，用r₀表示正确检测信号时对SINR的最低要求，基站计算得到p_km的取值满足σ²是用户接收到的噪声的方差，因此，u_km所需的最低功率为 K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数；

B2，基站根据步骤B1得到的p_km满足的条件以及计算得到第k个簇所需的最低功率p_k0， P_max是基站的最大发送功率，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数。

进一步，所述步骤C具体包括：

C1，对于第k个簇，令且t＝1，令

其中， K是簇的总数；

C2，令s_k2＝tP_max，若χ(s_k2)＞0，执行步骤C3，否则令t＝t+1，再行执行该步骤，直至χ(s_k2)＞0，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

C3，令若χ(s_k2)＞ε，其中，ε是预先设定的接近于零的正数，则令s_k1＝s_k0且重复执行该步骤，若χ(s₂)＜-ε，则令s_k2＝s_k0且重复执行该步骤，若|χ(s₂)|＜ε，则令p_k′＝s_k0，无需重复执行该步骤，k＝1,2,…,K，K是簇的总数。

进一步，所述步骤D具体包括：

D1，基站为第k个簇分配功率p_k0，若p_k′≤p_k0，将该簇放在集合A中，否则将该簇放在集合B中，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

D2，令其中，K是簇的总数；

D3，对于集合B中的任意簇b，计算找出向量的最大元素对应的簇，用簇n表示，则重新为该簇分配功率其中，p_a表示为簇a分配的功率，p_b表示为簇b分配的功率，将簇n放入集合A中；

D4，重复执行步骤D3直到将所有的功率分配完毕或者集合B为空集。

有益效果

本发明公开的方案将NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方案扩展到每个簇包含多个用户的场景，考虑到了每个用户所需的最低功率，在满足SIC的情况下，最大化系统的能量效率，比已有方案适用于更多的场景。

附图说明

图1是本发明实施的系统模型；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。如图1所示，考虑包含1个基站和MK个用户的单小区下行NOMA系统，基站和用户都配置单根天线。用户被分为K个簇，每个簇包含M个用户，用u_km表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M。基站到u_km的信道为h_km，|h_k1|²≥|h_k2|²≥…≥|h_kM|²。基站为第k个簇分配的总功率为p_k，其中u_km的功率为p_km，p_k1≤p_k2≤…≤p_kM，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交。

用y_km表示u_km的接收信号，y_km的表达形式为

其中，x_km是u_km的期望接收信号，n_km是u_km接收到的高斯白噪声，均值为零方差为1。

u_k1首先检测出x_kM，并消除该信号对y_k1造成的干扰，然后再检测x_k(M-1)，并消除该信号对y_k1造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对y_k1造成的干扰，直至检测出x_k1。u_k1检测x_km时的信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)为

同理，u_kj检测x_km时的SINR为

式(3)中的j≤m，m＝1,2,…,M，j＝1,2,…,M。

假定r₀是正确检测信号时对SINR的最低要求，为了执行串行干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)，u_kj检测x_km时的SINR必须不低于r₀，因此，要求下式成立

由此可推出，p_km的取值满足

令l(|h_kj|²)是的|h_kj|²单调递减函数。由于|h_k1|²≥|h_k2|²≥…≥|h_kM|²，当j＝m时，l(|h_kj|²)达到最大值，即式(5)可化为

令式(6)中的m＝1，得到p_k1的取值范围为

令式(6)中的m＝2，得到p_k2的取值范围为

令式(6)中的m＝3，得到p_k3的取值范围为

令式(6)中的m＝4，得到p_k4的取值范围为

采用归纳法可得，m＝2,3,…,M时，p_km的取值满足式(11)，

用p_km0表示u_km进行SIC以及正确检测期望信号所需的最低功率。m＝1时，m＝2,3,…,M时，p_km0的取值为

用p_k0表示第k个簇内的所有用户进行SIC以及正确检测期望信号所需的最低总功率，则p_k0的取值为

用P_min表示满足SIC以及正确检测期望信号时系统所需的最低总功率，P_min的取值为

用R_km表示u_km的单位带宽速率，R_km表示为

第k个簇内所有用户的单位带宽速率之和为

系统中MK个用户的单位带宽速率之和为

第k个簇的总功率为p_k时，该簇的能量效率用公式表示为

由文献“On the optimality of power allocation for noma downlinks withindividual qos constraints”知，对于单个簇而言，该簇内的第二个用户至第M个用户刚好满足最低速率需求，同时把其余的功率都分配给第一个用户，能最大化该簇内所有用户的和速率。因此，第k个簇的总功率为p_k时，基站为u_k1分配功率为u_km分配功率p_km0，k＝1,2,…,K，m＝2,3,...,M，此时，该簇内M个用户的和速率最大，最大值为

其中，r₀是正确检测信号时对SINR的最低要求。在第k个簇的总功率为p_k时，该簇最大的能量效率为

功率分配的目标是：在满足SIC需求且总功率不超过P_max的情况下，通过调整簇间功率p_k，k＝1,2,…,K，最大化系统的能量效率，用公式表示为

其中，C1表示基站的总功率不高于P_max，C2用于保证用户的最低速率要求。

无法直接给出式(21)中优化问题的最优解，接下来给出一种次优的求解方法。先求出单个簇的总功率变化时，该簇最大的能量效率。

用p_k0表示第k个簇所需的最低功率，由于总功率不超过P_max时，第k个簇的最大功率为p_k∈[p_k0,P_kmax]时，最大化该簇能量效率的优化问题用公式表示为

为便于推导，e_k(p_k)可简化为，

其中，式(23)中的优化问题是寻找e_k(p_k)最大时对应的p_k的取值。

接下来分析p_k≥0时e_k(p_k)的增减性，再结合p_k的取值范围分析最大化该簇的能量效率时p_k的取值。求e_k(p_k)关于p_k的偏导数，

无法直接观察出的增减性，也无法推导出时p_k的取值。的分母恒大于零，下面分析的分子大于零或小于零的条件。

令求χ(p_k)关于p_k的偏导数可得

由于恒成立，因此χ(p_k)是p_k的单调递减函数。当c_kp_k-d_k趋向于-1时，χ(p_k)大于零，当c_kp_k-d_k趋向于正无穷时，χ(p_k)小于零，因此，存在p_k′使得χ(p_k)等于零。当p_k＜p_k′时，χ(p_k)大于零，当p_k＞p_k′时，χ(p_k)小于零。因此，p_k＜p_k′时，p_k＞p_k′时，即e_k(p_k)在区间[0,p_k′]上单调递增，e_k(p_k)在区间[p_k′,+∞]上单调递减，从而，p_k＝p_k′时，e_k(p_k)达到最大值。

根据以上分析，式(22)中的优化问题的求解过程为：

步骤1，对于第k个簇，令且t＝1，令

其中， K是簇的总数；

步骤2，令s_k2＝tP_max，若χ(s_k2)＞0，执行步骤3，否则令t＝t+1，再行执行该步骤，直至χ(s_k2)＞0，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

步骤3，令若χ(s_k2)＞ε，其中，ε是预先设定的接近于零的正数，则令s_k1＝s_k0且重复执行该步骤，若χ(s₂)＜-ε，则令s_k2＝s_k0且重复执行该步骤，若|χ(s₂)|＜ε，则令p_k′＝s_k0，无需重复执行该步骤，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

步骤4，比较p_k′、p_k0和p_kmax的大小，若p_k′＜p_k0，则为该簇分配功率p_k0，若p_k0＜p_k′＜p_kmax，则为该簇分配功率p_k′，若p_kmax＜p_k′，则为该簇分配功率p_kmax。

以上步骤给出了式(22)中的优化问题的求解过程，无法给出p_k′的闭合表达式，也无法找出p_k＝p_k′时，该簇的能量效率，从而无法给出式(21)中优化问题的闭式解。接下来给出式(21)中优化问题的次优的求解方法。具体步骤如下：

步骤一，采用二分法找出第k个簇的功率不受限制时该簇最大的能量效率对应的功率，用p_k′表示，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

步骤2，基站为每个簇分配功率p_k0，若p_k′≤p_k0，将该簇放在集合A中，否则将该簇放在集合B中，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

步骤3，令其中，K是簇的总数；

步骤4，对于集合B中的任意簇b，计算找出向量的最大元素对应的簇，用簇n表示，则重新为该簇分配功率p_a表示为簇a分配的功率，p_b表示为簇b分配的功率，将簇n放入集合A中；

步骤5，重复执行步骤4直到将所有的功率分配完毕或者集合B为空集；

步骤6，用表示基站为第k个簇分配的功率，基站为u_k1分配功率基站为u_km分配功率p_km0，k＝1,2,…,K，m＝2,3,...,M，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数。

结合本发明的流程图即图2，下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法的具体步骤如下：

A，基站根据自身到MK个用户的信道将用户分簇，每个簇包含M个用户，共分为K个簇，用u_km表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到u_km的信道为h_km，|h_k1|²≥|h_k2|²≥…≥|h_kM|²，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；

B，基站计算单个用户所需的最低功率以及单个簇所需的最低功率；

C，对于第k个簇，基站采用二分法找到该簇的功率不受限制时最大化该簇能量效率的功率p_k′，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

D，基站为每个簇分配功率；

E，用表示步骤D中基站为第k个簇分配的功率，基站为u_k1分配功率基站为u_km分配功率p_km0，k＝1,2,…,K，m＝2,3,...,M，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (1)

1.下行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，其特征在于：适用于包括1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：

A，基站根据自身到MK个用户的信道将用户分簇，每个簇包含M个用户，共分为K个簇，用u_km表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到u_km的信道为h_km，|h_k1|²≥|h_k2|²≥…≥|h_kM|²，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；

B，基站计算单个用户所需的最低功率以及单个簇所需的最低功率，具体过程如下：

B1，用p_km表示基站为u_km分配的功率，p_k1≤p_k2≤…≤p_kM，p_k是基站为第k个簇分配的总功率，用r₀表示正确检测信号时对SINR的最低要求，基站计算得到p_km的取值满足σ²是用户接收到的噪声的方差，因此，u_km所需的最低功率为 K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数；

B2，基站根据步骤B1得到的p_km满足的条件以及计算得到第k个簇所需的最低功率p_k0， P_max是基站的最大发送功率，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数；

C，对于第k个簇，基站采用二分法找到该簇的功率不受限制时最大化该簇能量效率的功率p_k′，k＝1,2,…,K，K是簇的总数，具体过程如下：

C1，对于第k个簇，令且t＝1，令

其中， K是簇的总数；

C2，令s_k2＝tP_max，若χ(s_k2)＞0，执行步骤C3，否则令t＝t+1，再行执行该步骤，直至χ(s_k2)＞0，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

C3，令若χ(s_k2)＞ε，其中，ε是预先设定的接近于零的正数，则令s_k1＝s_k0且重复执行该步骤，若χ(s₂)＜-ε，则令s_k2＝s_k0且重复执行该步骤，若|χ(s₂)|＜ε，则令p_k′＝s_k0，无需重复执行该步骤，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

D，基站为每个簇分配功率，具体过程如下：

D1，基站为第k个簇分配功率p_k0，若p_k′≤p_k0，将该簇放在集合A中，否则将该簇放在集合B中，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；

D2，令其中，K是簇的总数；

D3，对于集合B中的任意簇b，计算找出向量的最大元素对应的簇，用簇n表示，则重新为该簇分配功率其中，p_a表示为簇a分配的功率，p_b表示为簇b分配的功率，将簇n放入集合A中；

D4，重复执行步骤D3直到将所有的功率分配完毕或者集合B为空集；

E，用表示步骤D中基站为第k个簇分配的功率，基站为u_k1分配功率基站为u_km分配功率p_km0，k＝1,2,…,K，m＝2,3,...,M，K是簇的总数，M是每个簇中用户的总数。