CN110505028A - 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法 - Google Patents

上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法 Download PDF

Info

Publication number
CN110505028A
CN110505028A CN201910777899.0A CN201910777899A CN110505028A CN 110505028 A CN110505028 A CN 110505028A CN 201910777899 A CN201910777899 A CN 201910777899A CN 110505028 A CN110505028 A CN 110505028A
Authority
CN
China
Prior art keywords
user
power
base station
energy efficiency
indicate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
CN201910777899.0A
Other languages
English (en)
Other versions
CN110505028B (zh
Inventor
李兴旺
陈慧
黄玉霞
李晓静
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Henan University of Technology
Original Assignee
Henan University of Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Henan University of Technology filed Critical Henan University of Technology
Priority to CN201910777899.0A priority Critical patent/CN110505028B/zh
Publication of CN110505028A publication Critical patent/CN110505028A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN110505028B publication Critical patent/CN110505028B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/318—Received signal strength
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/309—Measuring or estimating channel quality parameters
    • H04B17/336—Signal-to-interference ratio [SIR] or carrier-to-interference ratio [CIR]
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B17/00—Monitoring; Testing
    • H04B17/30—Monitoring; Testing of propagation channels
    • H04B17/382—Monitoring; Testing of propagation channels for resource allocation, admission control or handover
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/04—Wireless resource allocation
    • H04W72/044—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource
    • H04W72/0473—Wireless resource allocation based on the type of the allocated resource the resource being transmission power
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W72/00—Local resource management
    • H04W72/50—Allocation or scheduling criteria for wireless resources
    • H04W72/54—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria
    • H04W72/542—Allocation or scheduling criteria for wireless resources based on quality criteria using measured or perceived quality
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02D—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES [ICT], I.E. INFORMATION AND COMMUNICATION TECHNOLOGIES AIMING AT THE REDUCTION OF THEIR OWN ENERGY USE
    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Abstract

本发明公开了上行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M个用户的上行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单位带宽速率需求计算每个用户所需的最低功率，建立满足用户的最低速率需求且最大化能量效率的功率分配优化问题，求解该优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，然后按照信道强度递减的次序为第二个用户至最后一个用户分配该用户所需的最低功率，并将其余的功率分配给信道强度最高的用户。

Description

上行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，尤其是上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法。
背景技术
随着物联网和互联网的快速发展，智能终端日渐普及，对移动通信系统的连接数密度、流量密度、用户体验速率、峰值速率、时延、移动性等要求越来越高。同时，日益短缺的频谱资源限制了大规模智能终端的连接。因此，在面对海量用户接入时，引入了非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术。功率域复用的NOMA技术是5G网络的候选技术之一，在满足5G对频谱效率的需求的同时，还可以满足低时延、高可靠性、大规模连接等需求。NOMA技术引入了一个新的维度即功率域，将多个用户的信号叠加在相同的时频资源上，接收端接收到信号后采用连续干扰消除(Successive InterferenceCancellation,SIC)技术以减少用户间的干扰，从而实现多址接入。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上行NOMA系统中的功率分配，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。最大化能量效率的功率分配以单个用户的功率作为约束条件，以最大化和速率与总功率的比值为目标，求解每个用户的功率。现有的最大化能量效率的功率分配多采用迭代算法，计算复杂度较高。
发明内容
本发明提出了上行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M个用户的上行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以及每个用户的最低单位带宽速率需求计算每个用户所需的最低功率，建立满足用户的最低速率需求且最大化能量效率的功率分配优化问题，求解该优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，然后按照信道强度递减的次序为第二个用户至最后一个用户分配该用户所需的最低功率，并将其余的功率分配给信道强度最高的用户。
综上所述，本发明提出的上行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M个用户的上行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：
A，用um表示第m个用户，um到基站的信道为hm，|h1|2≥|h2|2≥…≥|hM|2，pm表示um的发送功率，表示um的最大发送功率，Rmin表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到pm的取值满足pm≥c(c+1)M-mαm，其中，c是满足用户最低单位带宽速率需求时对信干噪比(SINR)的最低要求，σ2是用户接收到的噪声的方差，故um所需的最低功率为m＝1,2,...,M，M是用户的总数；
B，基站构建最大化能量效率的功率分配优化问题，
其中，m＝1,2,...,M，M是用户的总数，基站将优化问题转化为
约束条件表示用户u1的功率不能超过该用户的最高发送功率；
C，基站求解步骤B中的优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，用P*表示；
D，基站根据步骤C得到的用户总功率P*为每个用户分配功率，令为用户u1分配功率为用户um分配功率m＝2,...,M，M是用户的总数。
进一步，所述步骤C具体包括：
C1，令其中， 用P0表示P1和P2的中间值，即m＝1,2,...,M，M是用户的总数；
C2，令ω(P)＝G1P-ln(2)[G1P-G1δ+χ]log2[G1(P-δ)+χ]，计算ω(P0)，若ω(P0)＞ε，ε是预先设定的非常小的正数，则令P1＝P0且执行步骤C3，若ω(P0)＜-ε，则令且P2＝P0，执行步骤C3，若|ω(P0)|＜ε，则令P*＝P0，不再执行步骤C3；
C3，令重复步骤C2，直至|ω(P0)|＜ε。
有益效果
与已有的上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方案相比，本发明公开的方法考虑到了每个用户的最低速率需求，减少了计算量。上行系统中的多个簇采用正交频段时，不同簇用户间的功率不存在制约关系，单簇的功率分配方案可直接应用于多簇场景中的每个簇。
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M个用户的单小区上行NOMA系统，基站和用户都配置单根天线。用um表示第m个用户，m＝1,2,…M。所有的用户使用相同的频段，um到基站的信道为hm，|h1|2≥|h2|2≥…≥|hM|2。um的功率为pm，是用户um最大的发送功率。
用y表示基站的接收信号，y的表达形式为
其中，xm是um的发送信号，n是基站接收到的高斯白噪声，均值为零方差为σ2。与文献“Energy-efficient power allocation for uplink NOMA”相同，基站按信号强度递减的顺序依次检测每个用户的发送信号并消减该信号带来的干扰。
u1首先检测出x1，并消除该信号对y造成的干扰，然后再检测x2，并消除该信号对y造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对y造成的干扰，直至检测出xM。基站检测xm时的信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)为
假定单个用户的最低单位带宽速率需求为Rmin，该速率对应的信干噪比为c，因此，要满足
由此可推出，pm的取值满足
首先推导满足um的最低单位带宽需求的条件下，pm的取值范围。
令式(4)中的m＝M时，可推出pM的取值范围满足
pM≥cαM (5)
其中，m＝1,2,...,M。令式(4)中的m＝M-1时，可推出p(M-1)的取值范围满足
令式(4)中的m＝M-2时，可推出pk(M-2)的取值范围满足
令式(4)中的m＝M-3时，可推出pk(M-3)的取值范围满足
令式(4)中的m＝M-4时，可推出pk(M-4)的取值范围满足
采用归纳法可得，pm的取值满足式(10)
用表示满足um的最低单位带宽速率需求时um所需的最低功率，的取值为
根据式(2)，um的单位带宽速率Rm的表达形式为
系统中M个用户的和速率为
其中，m＝1,2,...,M。
所提方案的目标是：在满足每个用户最低单位带宽速率需求下，通过分配适当的功率，最大化系统的能量效率。功率分配的目标用公式表示为
若直接求解式(14)中的优化问题，则要采取迭代的方法，复杂度极高。为此，先求解所有用户的总功率为某一常数即时最大的能量效率，然后再求解所有用户的总功率变化时最大的能量效率。
时最大化能量效率的优化问题可以表示为
式(15)所示的优化问题等效于最大化由于G1≥G2≥…≥GM，若不考虑约束条件，则p1＝P且p2＝p3＝…＝pM＝0时，达到最大值。然而，每个用户都有速率需求，因此，当第2个用户至第M个用户刚好满足最低速率需求，并且将其余的功率都分配给第一个用户时，达到最大值。式(15)所示的优化问题的解为
此时的能量效率为
式(14)所示的优化问题可以转化为
约束条件表示用户u1的功率不能超过该用户的最高发送功率。由约束条件可得
求e(P)关于P的导数可得
令且式(19)可化为
用β(P)表示式(20)等式右边的分子，求β(P)关于P的导数可得
计算可得，时，时，因此，必定存在P*，使得当P＜P*时， e(P)单调递增，当P＞P*时，e(P)单调递减，因此，P＝P*时，e(P)达到最大值。
无法给出P*的闭合表达式，可采用二分法找到P*，具体步骤如下：
步骤一，令用P0表示P1和P2的中间值，即
步骤二，计算若ε是预先设定的非常小的正数，则令P1＝P0且执行步骤三，若则令且P2＝P0，执行步骤三，若则令P*＝P0，不再执行步骤三；
步骤三，令重复步骤二，直至
采用二分法找到P*后，若则总功率为时，系统的能量效率最大。若则总功率为P*时，系统的能量效率最大。若则总功率为时，系统的能量效率最大。综上，最大化能量效率的总功率的表达式为
为用户u1分配功率为用户um分配功率
结合本发明的流程图即图2，上行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，用um表示第m个用户，um到基站的信道为hm，|h1|2≥|h2|2≥…≥|hM|2，pm表示um的发送功率，表示um的最大发送功率，Rmin表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到pm的取值满足pm≥c(c+1)M-mαm，其中，c是满足用户最低单位带宽速率需求时对信干噪比(SINR)的最低要求，σ2是用户接收到的噪声的方差，故um所需的最低功率为m＝1,2,...,M，M是用户的总数；
B，基站构建最大化能量效率的功率分配优化问题，
其中，m＝1,2,...,M，M是用户的总数，基站将优化问题转化为
约束条件表示用户u1的功率不能超过该用户的最高发送功率；
C，基站求解步骤B中的优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，用P*表示；
D，基站根据步骤C得到的用户总功率P*为每个用户分配功率，令为用户u1分配功率为用户um分配功率m＝2,...,M，M是用户的总数。
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.上行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M个用户的上行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：
A，用um表示第m个用户，um到基站的信道为hm，|h1|2≥|h2|2≥…≥|hM|2，pm表示um的发送功率，表示um的最大发送功率，Rmin表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到pm的取值满足pm≥c(c+1)M-mαm，其中，c是满足用户最低单位带宽速率需求时对信干噪比(SINR)的最低要求，σ2是用户接收到的噪声的方差，故um所需的最低功率为M是用户的总数；
B，基站构建最大化能量效率的功率分配优化问题，
其中，m＝1,2,...,M，M是用户的总数，基站将优化问题转化为
约束条件表示用户u1的功率不能超过该用户的最高发送功率；
C，基站求解步骤B中的优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，用P*表示，具体过程如下：
C1，令其中， 用P0表示P1和P2的中间值，即m＝1,2,...,M，M是用户的总数；
C2，令ω(P)＝G1P-ln(2)[G1P-G1δ+χ]log2[G1(P-δ)+χ]，计算ω(P0)，若ω(P0)＞ε，ε是预先设定的非常小的正数，则令P1＝P0且执行步骤C3，若ω(P0)＜-ε，则令且P2＝P0，执行步骤C3，若|ω(P0)|＜ε，则令P*＝P0，不再执行步骤C3；
C3，令重复步骤C2，直至|ω(P0)|＜ε；
D，基站根据步骤C得到的用户总功率P*为每个用户分配功率，令为用户u1分配功率为用户um分配功率M是用户的总数。
CN201910777899.0A 2019-08-22 2019-08-22 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法 Active CN110505028B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910777899.0A CN110505028B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN201910777899.0A CN110505028B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN110505028A true CN110505028A (zh) 2019-11-26
CN110505028B CN110505028B (zh) 2022-02-08

Family

ID=68588968

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201910777899.0A Active CN110505028B (zh) 2019-08-22 2019-08-22 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN110505028B (zh)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111246578A (zh) * 2020-01-09 2020-06-05 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法
CN112261713A (zh) * 2020-10-22 2021-01-22 岭南师范学院 基于匹配滤波预编码的多输入单输出noma系统功率分配方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3016453A1 (en) * 2013-06-28 2016-05-04 Ntt Docomo, Inc. Wireless base station, user terminal and wireless communication method
CN108462950A (zh) * 2018-03-26 2018-08-28 南京邮电大学 基于noma的d2d通信联合子信道与功率分配方法
CN108616997A (zh) * 2018-08-03 2018-10-02 田心记 Noma系统中的功率分配方法
CN108811069A (zh) * 2018-08-27 2018-11-13 重庆邮电大学 一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法
CN108882352A (zh) * 2018-05-29 2018-11-23 南京邮电大学 一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3016453A1 (en) * 2013-06-28 2016-05-04 Ntt Docomo, Inc. Wireless base station, user terminal and wireless communication method
CN108462950A (zh) * 2018-03-26 2018-08-28 南京邮电大学 基于noma的d2d通信联合子信道与功率分配方法
CN108882352A (zh) * 2018-05-29 2018-11-23 南京邮电大学 一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法
CN108616997A (zh) * 2018-08-03 2018-10-02 田心记 Noma系统中的功率分配方法
CN108811069A (zh) * 2018-08-27 2018-11-13 重庆邮电大学 一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法

Non-Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
JIAYUE ZHU等，: "On Optimal Power Allocation for Downlink Non-Orthogonal Multiple Access Systems", 《 IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS 》 *
丛犁: "基于博弈论的无线网络资源分配策略研究", 《中国优秀博士论文全文数据库》 *
曹雍: "基于用户公平性的非正交多址（NOMA）系统用户配对和功率分配技术的研究", 《中国优秀硕士论文全文数据库》 *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111246578A (zh) * 2020-01-09 2020-06-05 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法
CN111246578B (zh) * 2020-01-09 2023-06-09 北京航空航天大学杭州创新研究院 一种定向天线场景下的noma下行链路通信方法
CN112261713A (zh) * 2020-10-22 2021-01-22 岭南师范学院 基于匹配滤波预编码的多输入单输出noma系统功率分配方法
CN112261713B (zh) * 2020-10-22 2022-05-17 岭南师范学院 基于匹配滤波预编码的多输入单输出noma系统功率分配方法

Also Published As

Publication number Publication date
CN110505028B (zh) 2022-02-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN108650689B (zh) 基于noma下行链路的无线携能通信系统能效优化方法
CN107342811B (zh) 一种求可见光通信系统下行noma最小化功率的方法
CN108616997A (zh) Noma系统中的功率分配方法
CN109819508A (zh) 下行noma系统中的功率分配方法
CN109890073A (zh) 单天线下行noma系统中的功率分配方法
CN109996264B (zh) 非正交多址系统中最大化安全能量效率的功率分配方法
CN106788769A (zh) 一种基于QoS的可见光通信非正交多址系统功率分配方法
CN107231684B (zh) 基于最大容量的scma系统三级功率分配方法
CN106455032B (zh) 一种超密集网络中面向主干扰源的分布式功率控制方法
CN110505028A (zh) 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法
CN108882352B (zh) 一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法
CN107241799B (zh) 异构网络中能量有效的资源分配和干扰对齐联合方法
CN109451569A (zh) 一种无线携能异构网络中的资源分配方法
CN110769432A (zh) 基于最小化干扰的scma上行链路频谱资源分配方法
Liu et al. Performance of dynamic power and channel allocation for downlink MC-NOMA systems
CN111315017A (zh) 一种基于scma系统节能的资源分配方法
CN109714818A (zh) 单小区noma系统中的功率分配方法
CN110392378A (zh) 下行多簇noma系统中折中的功率分配方法
CN109168194B (zh) 基于动态用户的上行noma系统中发射功率确定方法
CN109618404A (zh) Noma系统中提高用户速率的功率分配方法
CN106411487A (zh) 基站额定功率固定的下行ofdma系统的高能效资源分配方法
CN107249212B (zh) 一种d2d通信中能效最大化的功率分配方法
CN112584403B (zh) Noma小小区最大速率最小功率的联合优化方法
CN110493875B (zh) 下行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法
CN107733488A (zh) 一种大规模mimo系统中注水功率分配改进方法及系统

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant