CN110519836A - 上行单簇noma系统最大化权重和速率的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法，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系统权重和速率的功率分配优化问题，对于权重递增或权重相等的情况，推导了权重和速率最大时每个用户的功率，对于权重单调递减的情况，给出了一种迭代的功率分配算法。

Description

上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法。

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。其中，最大化和速率的功率分配方案以单个用户的最大发射功率或单个用户的最低速率需求作为约束条件，以最大化用户的和速率为目标，求解为各用户分配的功率。文献“Enhanced uplink resource allocation innon-orthogonal multiple access systems”提出了上行多簇NOMA系统中最大化和速率的功率分配方案，然而该方案没有到考虑用户的权重。

发明内容

本发明提出了上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法，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系统权重和速率的功率分配优化问题，对于权重递增或权重相等的情况，推导了权重和速率最大时每个用户的功率，对于权重单调递减的情况，给出了一种迭代的功率分配算法。

综上所述，本发明提出的上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法，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u_m表示第m个用户，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²，p_m表示u_m的发送功率，表示u_m的最大发送功率，R^min表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到p_m的取值满足p_m≥c(c+1)^M-mα_m，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u_m所需的最低功率为M是用户的总数；

B，基站为u₁分配功率

C，若ω_m-1≤ω_m，m＝2,...,M，基站为u_m分配功率M是用户的总数；

D，若ω_m-1＞ω_m，m＝2,...,M，基站采用迭代的方法得到为u_m分配的功率，M是用户的总数。

进一步，所述步骤D具体包括：

D1，令

其中，基站计算和的值，m＝2,...,M，若则为用户u_m分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户u_m分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户u_m分配最小功率将该用户放入集合A中，将为每个用户分配的功率依次放入集合Q₁中，令k＝1；

D2，将Q_k中的功率代入g(p_i,i＝1,2,…,M)，其中，对于集合A中的任意用户u_n，若ω_n＞g(p_i,i＝1,2,…,M)，则重新为用户u_n分配功率否则重新为用户u_n分配功率令k＝k+1，将为每个用户分配的功率依次放入集合Q_k中；

D3，重复步骤D2，直至Q_k-1＝Q_k。

有益效果

与已有的上行单簇NOMA系统中最大化和速率功率分配方案相比，本发明公开的方法考虑到了每个用户的最低速率需求，在满足每个用户最低速率需求的情况下，最大化不同的用户权重场景下的系统权重和速率。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u_m表示第m个用户，m＝1,2,…M。所有的用户使用相同的频段，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²。u_m的功率为p_m， 是用户u_m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，x_m是u_m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，基站按信道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x_M。基站检测x_m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R^min，该速率对应的信干噪比为c，因此，要满足

由此可推出，p_m的取值满足

根据式(2)，u_m的单位带宽速率R_m的表达形式为

系统中M个用户的单位带宽权重和速率为

其中，w_m是u_m的权重。

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，最大化系统的权重和速率。功率分配的目标用公式表示为

其中，约束条件表示u_m的发送功率不能超过约束条件R_m≥R^min表示u_m的单位带宽速率不低于R^min。

首先推导满足u_m的最低单位带宽需求的条件下，p_m的取值范围。

令式(4)中的m＝M，可推出p_M的取值范围满足

p_M≥cα_M (8)

其中，令式(4)中的m＝M-1，可推出p_(M-1)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-2，可推出p_k(M-2)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-3，可推出p_k(M-3)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-4，可推出p_k(M-4)的取值范围满足

采用归纳法可得，p_m的取值满足式(13)。

用表示满足u_m的最低单位带宽速率需求时u_m所需的最低功率，的取值为

令则式(7)中的优化问题可等价表示为

其中，约束条件表示u_m的发送功率不能超过约束条件R_m≥R^min表示u_m的单位带宽速率不低于R^min。

将系统的权重和速率即式(6)等效表示为式(16)

求R^sum关于p_m的偏导数，可得

由于恒成立，R^sum是p₁的单调递增函数，系统权重和速率最大时，u₁的功率为

m＝2,...,M时，是否大于零与权重值有关，接下来给出在不同权重场景下最大化系统权重和速率的功率分配方案。

Case1：w_m-1≤w_m，m＝1,2,...,M

w_m-1≤w_m时，即R^sum是p_m的单调递增函数，由于当时，R^sum达到最大值。

Case2：w_m-1＞w_m，m＝1,2,...,M

如果则有

接下来推导p_i与p_M的关系，i＝1,2,…,M-1，将不等式(18)中大于号右边的部分表示为p_M的函数。令式(4)中的m＝M-1，可推出

令式(4)中的m＝M-2，可推出

令式(4)中的m＝M-3，可推出

依次类推，可得出

其中，式(22)中m＝1,…,M-1。

将不等式(18)中大于号右侧定义为p_i的函数g(p_i,i＝1,2,…,M)。推导能得出，g(p_i,i＝1,2,…,M)是p_m的单调递增函数。结合式(22)，把式(18)转化为式(23)，

将式(23)大于号右侧定义为关于p_M的函数f(p_M)，求f(p_M)关于p_M的导数可得，恒成立，即f(p_M)是p_M的单调递增函数。由于因此，时，恒成立，即R^sum是p_m的单调递增函数，当时，R^sum达到最大值。

同理可知，如果则有

ω_m＜f(p_M) (24)

由于当时，恒成立，R^sum是p_m的单调递减函数，当时，R^sum取得最大值。

当ω_m的取值范围在时，无法判断ω_m是否大于g(p_i,i＝1,2,…,M)，从而无法直接为该簇分配功率。接下来给出一种迭代的功率分配方法，步骤如下：

步骤1：计算和的值，对于任意簇，若则为用户分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户分配最小功率将该用户放入集合A中，将为用户分配的功率依次放入集合Q₁中，令k＝1；

步骤2，将Q_k中的功率代入g(p_i,i＝1,2,…,M)，对于集合A中的任意用户u_n，若ω_n＞g(p_i,i＝1,2,…,M)，则重新为用户u_n分配功率否则重新为用户u_n分配功率令k＝k+1，将为用户分配的功率依次放入集合Q_k中；

步骤3，重复步骤2，直至集合Q_k-1＝Q_k。

结合本发明的流程图即图2，上行单簇NOMA系统中最大化权重和速率的功率分配方法的具体步骤如下：

A，用u_m表示第m个用户，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²，p_m表示u_m的发送功率，表示u_m的最大发送功率，R^min表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到p_m的取值满足p_m≥c(c+1)^M-mα_m，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u_m所需的最低功率为M是用户的总数；

B，基站为u₁分配功率

C，若ω_m-1≤ω_m，m＝2,...,M，基站为u_m分配功率M是用户的总数；

D，若ω_m-1＞ω_m，m＝2,...,M，基站采用迭代的方法得到为u_m分配的功率，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.上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法，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u_m表示第m个用户，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²，p_m表示u_m的发送功率，表示u_m的最大发送功率，R^min表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到p_m的取值满足p_m≥c(c+1)^M-mα_m，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u_m所需的最低功率为m＝1,2,...,M，M是用户的总数；

B，基站为u₁分配功率

C，若ω_m-1≤ω_m，m＝2,...,M，基站为u_m分配功率M是用户的总数；

D，若ω_m-1＞ω_m，m＝2,...,M，基站采用迭代的方法得到为u_m分配的功率，M是用户的总数，具体过程如下：

D1，令

其中，基站计算和的值，m＝2,...,M，若则为用户u_m分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户u_m分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户u_m分配最小功率将该用户放入集合A中，将为每个用户分配的功率依次放入集合Q₁中，令k＝1；

D2，将Q_k中的功率代入g(p_i,i＝1,2,…,M)，其中，对于集合A中的任意用户u_n，若ω_n＞g(p_i,i＝1,2,…,M)，则重新为用户u_n分配功率否则重新为用户u_n分配功率令k＝k+1，将为每个用户分配的功率依次放入集合Q_k中；

D3，重复步骤D2，直至Q_k-1＝Q_k。