CN110868756B - 一种noma系统中的功率分配方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种NOMA系统上行功率分配方法，本发明首先建立了基于NOMA的系统功率优化模型，然后利用凸优化方法，对所建的系统功率优化模型进行松弛变换求解，由于所求的解是松弛后的结果，可能存在不满足功率优化模型的多个限制条件的情况，进一步地，对不满足原模型的解，综合考虑用户速率需求、单个子载波叠加数目、SIC接收机解调等条件对功率分配方法进行调整，解决了当前NOMA系统上行链路的功率分配问题。

Description

一种NOMA系统中的功率分配方法及装置
技术领域
本发明涉及无线网络资源分配技术领域，具体涉及非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)中的上行功率分配方法及装置。
背景技术
随着移动通信技术的快速发展，全球物联网(Internet of Things,IoT)市场正处于爆炸性增长的阶段。IoT场景中海量上行通信的核心是提供大规模连接，且大部分IoT设备具有以上行传输为主、低吞吐量、延迟不敏感、低功耗等特点。现有的正交多址接入(orthogonal multiple access，OMA)技术因为频谱资源稀缺难以支撑如此庞大的用户接入。作为第五代移动通信(5th generation mobile networks，5G)关键技术的功率域NOMA，不但能提升频谱效率，而且具有发送端实施简单、同时同频支撑多用户接入等特点。NOMA系统中，发送端使用功率分配技术为同一子载波的用户分配不同功率，简单快捷地实现了频谱资源复用；接收端则采用串行干扰消除(Serial Interference Cancellation，SIC)去除信号间干扰，良好地恢复信号。虽然接收机复杂度的增加，限制了NOMA在下行场景中的应用，但网络端强大的处理能力则在上行场景给了NOMA充分发挥的空间，也正好与IoT场景海量接入、上行传输为主的需求相匹配。
目前已有学者研究了下行NOMA的功耗问题，建立了以最小化功率为目标的模型，并针对模型的NP难解性，设计一种次优算法获取模型的解。但由于上行NOMA与下行NOMA系统存在差异，SIC在上、下行用户解码的基本要求不同，下行算法不能直接应用于上行链路。而基于穷举法的单调优化算法作为最优方法，其复杂度过高，不适用于单个子载波叠加两个用户以上的情况。
发明内容
鉴于现有的IoT场景中上行NOMA功率分配的研究存在的问题，本发明综合考虑了用户速率需求、单个子载波叠加数目、SIC接收机解调等条件对功率分配方法的影响，提出一种IoT系统中以最小化发送功率为目标的上行NOMA功率分配方法。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种NOMA系统中的功率分配方法，所述NOMA系统中有N个子载波和K个移动设备，所述K个移动设备中的每一个在N个子载波的全部或部分子载波上进行发送，其特征在于：
S1、建立系统功率优化目标函数，所述系统功率优化目标函数受限于多个约束条件；
S2、基于所述目标函数及其所述多个约束条件中的部分约束条件进行凸松弛处理，获得凸松弛后的函数解；
S3、判断所述凸松弛后的函数解是否同时满足所述多个约束条件中的部分约束条件以外的其他约束条件，若同时满足所述其他约束条件，则所述函数解为原目标函数最优解，若不同时满足所述其他约束条件，则调整子载波中的一个或多个参数，使所述凸松弛后的函数解满足所述其他约束条件。
优选地，所述优化目标函数为：
Figure BDA0002289289210000021
其中，
Figure BDA0002289289210000022
表示移动设备集合
Figure BDA0002289289210000023
中的第k个移动设备，
Figure BDA0002289289210000024
表示子载波集合
Figure BDA0002289289210000025
中的第n个子载波，pk,n表示第n个子载波上第k个移动设备的发送功率；并且，多个约束条件中的第一约束条件为，
Figure BDA0002289289210000026
其中，Rk,min表示移动设备k的最低传输速率，hk,n表示移动设备k在子载波n上的信道增益，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位，j∈{Mj:(Mj)n<(Mk)n}表示子载波n上的所有比序位(Mk)n小的移动设备集合中的第j个移动设备，pj,n表示移动设备j在子载波n上的发送功率，hj,n表示移动设备j在子载波n上的信道增益，z表示信道噪声；
多个约束条件中的第二约束条件为，
Figure BDA0002289289210000031
其中，L为子载波n上系统允许叠加的最大移动设备数目；
多个约束条件中的第三约束条件为，
Figure BDA0002289289210000034
其中，pk′,n表示移动设备k′在子载波n上的发送功率，hk′,n表示移动设备k′在子载波n上的信道增益。
优选地，所述目标函数及其所述部分约束条件进行凸松弛处理，用速率变量替换功率变量后所得函数为：
Figure BDA0002289289210000032
其中，(i)′n表示在子载波n上序号为i的移动设备，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位；
并且其中，所述替换功率变量后所得函数的约束条件为，
Figure BDA0002289289210000035
其中，Rk,n表示移动设备k在子载波n上的发送速率；对所述凸松弛处理所得函数求解P*。
优选地，所述判断凸松弛处理所得函数的解P*是否满足所述多个约束条件中的第二和第三约束条件，若满足，则P*为所述系统功率优化目标函数解；若不满足所述第二约束条件，则从子载波集合
Figure BDA0002289289210000033
中选择不满足所述第二约束条件的子载波，并对在其上发送的移动设备数量进行缩减。
优选地，所述缩减包括对移动设备进行第一优先级排序，按照所述第一优先级顺序对移动设备进行置零操作。
优选地，所述第一优先级顺序包括以移动设备k在子载波n上的传输速率与最小传输速率需求的比值进行排序。
优选地，所述判断经由置零操作的移动设备是否满足第一约束条件，若不满足，则加大所述移动设备功率值。
优选地，所述加大移动设备发送功率值包括使用二分法调整发送功率值，使得所述移动设备满足第一约束条件和第二约束条件。
优选地，所述判断凸松弛后函数的解P*是否满足所述第二和第三约束条件，若满足，则P*为所述系统功率优化目标函数解；若不满足所述第三约束条件，则采用第二优先级顺序排序，调整移动设备发送功率。
优选地，所述第二优先级顺序包括以移动设备信道增益排序，并调整移动设备发送功率，使其满足第三约束条件。
优选地，所述调整移动设备发送功率包括：
pi,n＝max(pi,n,pi-1,n)，i≥2
其中，i表示子载波n上按照信道增益排序的序号。
本公开中的方法利用凸松弛方法求得函数解，然后经过调整函数解获得满足多个限制条件的次优解，圆满地解决了IoT场景中上行信道NOMA功率分配的技术问题。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本公开。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1图示了本文阐述的各种方案的无线通信系统的说明；
图2图示了根据本发明创新的功率分配方法说明。
具体实施方式
现在参照附图描述各种实施例，其中，全文内相同的标号被用来指代相同的元素。在下面的描述中，出于解释的目的，阐明了许多特定细节以提供对一个或更多个实施例的透彻理解。然而，显而易见地，可以在没有这些特定细节的情况下实施这些实施例。在其他实例中，公知的结构和设备以框图的形式示出，以便于描述一个或更多个实施例。
本文描述的技术可以被用于各种无线通信系统，比如非正交多址(NOMA)和其它系统。术语“系统”和“网络”经常可以可互换地使用。此外，本文结合移动设备来描述各种实施例。移动设备也可以被称为系统、用户单元、用户站、移动台、移动装置、远程站、远程终端、接入终端、用户终端、终端、无线通信设备、用户代理、用户设备、用户装置(UE)或机器类通信设备(MTCD)。移动设备可以是蜂窝电话、无绳电话、会话发起协议(SIP)电话、无线本地环路(WLL)站、个人数字助理(PDA)、具有无线连接能力的手持设备、计算设备或连接到无线调制解调器的其他处理设备。此外，本文结合基站来描述各种实施例。基站可以用来与移动设备进行通信，并且也可以被称为接入点、节点B或者某个其他术语。
本发明提供了一种非正交多址接入系统的上行功率分配方法及使用该方法的装置。
现在参考图1，示出了根据本文介绍的各种实施例的无线通信系统100。系统100包括可以包含多个天线组的基站120，每个基站可以覆盖一定的地理范围，通常被称为小区110，以提供无线通信服务。本领域技术人员将认识到，基站120可以另外包括发射机链和接收机链，它们中的每一个又可以包括多个与信号发射和接收相关联的部件(例如，处理器、调制器、复用器、解调器、解复用器、天线等)。
基站120可以与一个或更多移动设备(例如，移动设备130和MTCD140)进行通信；然而，应该意识到，基站120可以与类似于移动设备130和140的实质上任意数量的移动设备进行通信。移动设备130和140可以是诸如蜂窝电话、智能电话、膝上型计算机、手持通信设备、手持计算设备、卫星无线电、全球定位系统、PDA和/或用于在无线通信系统100上进行通信的任何其它适当的设备。基站120将通过被称为下行链路(下行信道)和上行链路(上行信道)的无线通信链路与各种移动设备130和140进行无线通信。下行链路和上行链路能够提供的最大无线频段范围被称为系统带宽或系统载波，根据需求，系统带宽可以被分割为多个仅包含部分带宽的子载波。子载波的划分可以是均分，也可以是自适应的。所谓均分是指系统带宽被平均分为多个子载波，每个子载波所有的系统带宽的部分是相等的；所谓自适应是指在同一系统带宽中被划分出的多个子载波之间，可以具有不同的子载波带宽。包括但不仅限于不同移动设备被分配的子载波带宽不同，还包括同一移动设备的上下行无线链路也可以被划分为不同带宽的子载波。每个子载波上可以承载多个移动设备，使得多个移动设备可以使用相同的时频资源，并允许移动设备在其上使用不同的发射功率发送各自的信息或信号。
根据本发明的一实施例，在系统100中，包含至少一个基站及在其业务覆盖范围小区110内的k＝{M1,M2,…,MK}个移动设备130或MTCD 140(以下统称为移动设备)，其中，M1,M2,…,MK表示移动设备1，移动设备2，…，移动设备K。小区内的系统带宽B被划分为N个子载波，如前所述，每个子载波的带宽可以相同也可以不同。在其中，任一子载波
Figure BDA0002289289210000061
基站在第n个子载波上分配Kn个用户，则基站在子载波n上接收到的信号可以表示为：
Figure BDA0002289289210000062
其中，pk,n表示第k个移动设备在子载波n上发送信号的发送功率，sk,n表示该移动设备使用该功率发送的调制符号，hk,n表示信道的信道增益，z表示信道中的噪声。
本发明以公式(1)中的发送功率pk,n为优化目标，采用移动设备最低速率需求、单个子载波上移动设备叠加限制数和SIC基本要求作为约束条件，建立NOMA最小化系统发送功率模型：
Figure BDA0002289289210000071
Figure BDA0002289289210000072
Figure BDA0002289289210000073
Figure BDA0002289289210000074
公式(2)中的
Figure BDA0002289289210000075
表示移动设备集合
Figure BDA0002289289210000076
中的第k个移动设备，
Figure BDA0002289289210000077
表示子载波集合
Figure BDA0002289289210000078
中的第n个子载波，pk,n表示第n个子载波上第k个移动设备的发送功率；公式(3)中的hk,n表示移动设备k在子载波n上的信道增益，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位，j∈{Mj:(Mj)n<(Mk)n}表示子载波n上的所有比序位(Mk)n小的移动设备集合中的第j个移动设备，pj,n表示移动设备j在子载波n上的发送功率，hj,n表示移动设备j在子载波n上的信道增益，z表示信道噪声；公式(4)中的L表示子载波n上允许叠加的最大移动设备数目；公式(5)表示子载波上，信道增益大的移动设备应当具有更高的发射功率，以满足NOMA系统中SIC的处理要求，其中，pk′,n表示移动设备k′在子载波n上的发送功率，hk′,n表示移动设备k′在子载波n上的信道增益。。
上述公式(2)～(5)是关于发射功率最小化的问题，这是一个在多项式时间内无法取得最优解的非凸问题。根据通常的非凸问题解决方案，常见的是取得非凸问题的次优解，避开最优解的缺陷。本文采用先松弛、再调整的方案，将该问题转化为以速率为优化变量的功率最小问题，取得转化后方案的最优解后，再满足原限制条件公式(4)和公式(5)所列内容，以此取得原优化目标的次优解。
具体的，所述将公式(2)～(5)进行先松弛的步骤，将公式(2)的目标函数转化为以速率为优化变量的功率最小问题，具体表示为：
Figure BDA0002289289210000081
Figure BDA0002289289210000082
其中，(i)′n表示在子载波n上序号为i的移动设备，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位。公式(6)表示最小化系统所有移动设备的总功率；公式(7)表示任一移动设备在整个系统带宽内的发送速率不低于其最低需求。
解法之一的松弛是指暂时不考虑原限制条件公式(4)和(5)。但也正因此，通过优化工具得出公式(6)的最优解，该最优解可能并不一定能满足公式(4)和(5)定义的要求。因此，本发明对已有最优解进行调整，以便得出次优解。
参考图2的算法流程。首先，如图中系统框图200所示，系统如子框图210所示，求解凸松弛后模型的最优解，进一步地，如子框图212所示，判断该最优解是否满足关于公式(4)子载波叠加用户限制和公式(5)SIC基本要求条件。若两个条件均满足，则该解同是公式(6)、公式(7)的最优解和公式(2)～(5)的解，算法结束。若两个条件无法同时满足，则分别进行针对约束条件公式(4)和公式(5)的调整。如框图214所示，首先判断是否满足公式(4)的子载波移动设备叠加限制，若不满足公式(4)，则如框图216所示，调整不满足该条件的子载波中叠加的用户数量，具体为，为移动设备进行优先权赋值，比如使用移动设备k在子载波n上的传输速率与该移动设备的最小传输速率需求的比值作为优先权因子，衡量移动设备k在子载波n上的重要程度。进而，按照优先权因子排序，本实施例采用优先权因子从大到小的顺序排序，当然，也可以采用从小到大的顺序排序，然后取反序。将排序号超过最大限值L后的移动设备功率和/或速率置零，用以满足约束条件公式(4)的子载波移动设备叠加限制，然后循环至子框图214，直到确定满足了约束条件公式(4)。
但是，由于某些移动设备在某些子载波上的功率和/或速率被置零，可能导致其又无法满足约束条件公式(3)对移动设备最低速率的要求，需要如子框图218所示，调整不满足最低速率需求的移动设备的功率，如在至少一个子载波上对其加上一较大的发送功率Pmax，即使得所有移动设备再次满足最低速率需求。
进一步，如子框图220所示，判断经调整的所有移动设备的发送速率是否恰好满足该移动设备的最低速率需求，若不满足，则如子框图222所示，使用二分法寻找一合适的因子βk,n，更新发送功率pi,n＝pi,n-βk,n，使得移动设备的发送功率逐渐调整至恰好满足该移动设备最低速率需求的水平，可以确保当前所有用户的传输速率都满足公式(3)所述条件；再循环至子框图220判断调整是否使得速率条件已经满足，若不满足则继续至子框图222，迭代改变βk,n并更新功率pi,n。迭代的终止条件为刚好满足约束条件公式(4)或达到最大迭代次数Cmax，迭代的目的是尽可能地降低发送功率pi,n。此后，所有的移动设备已满足约束条件公式(3)和公式(4)。
进一步，如子框图224，对移动设备在各子载波内进行排序，排序的方法多种，本文以信道增益为例。以子载波n上的信道增益升序排序，i是其排列序号，i∈K，排序使得子载波上所有设备满足hi-1,n≤hi,n。再如子框图226所示，判断增益越大的移动设备是否具备越高的发射功率，以此判断是否满足NOMA系统的SIC基本要求，即约束条件公式(5)。最后如子框图228所示，更新各移动设备的功率为pi,n＝max(pi,n,pi-1,n)，i≥2，在不减少用户功率的前提下循环地判断和调整p*以满足约束条件(5)，调整凸解直到获取非凸问题的次优解。
本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读存储介质中，存储介质可以包括：ROM、RAM、磁盘或光盘等。
以上所举实施例，对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所举实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种NOMA系统中的功率分配方法，所述NOMA系统中有N个子载波和K个移动设备，所述K个移动设备中的每一个在N个子载波的全部或部分子载波上进行发送，其特征在于：
建立系统功率优化目标函数
Figure FDA0003544400410000011
其中，
Figure FDA0003544400410000012
表示移动设备集合
Figure FDA0003544400410000013
中的第k个移动设备，
Figure FDA0003544400410000014
表示子载波集合
Figure FDA0003544400410000019
中的第n个子载波，pk,n表示第n个子载波上第k个移动设备的发送功率；所述系统功率优化目标函数受限于多个约束条件，所述多个约束条件包括第一约束条件移动设备最低速率需求、第二约束条件单个子载波上移动设备叠加限制数和第三约束条件SIC基本要求，其中，所述第一约束条件移动设备最低速率需求表达为
Figure FDA0003544400410000015
hk,n表示移动设备k在子载波n上的信道增益，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位，j∈{Mj:(Mj)n＜(Mk)n}表示子载波n上的所有比序位(Mk)n小的移动设备集合中的第j个移动设备，pj,n表示移动设备j在子载波n上的发送功率，hj,n表示移动设备j在子载波n上的信道增益，z表示信道噪声；所述第二约束条件单个子载波上移动设备叠加限制数表达为
Figure FDA0003544400410000016
L表示子载波n上允许叠加的最大移动设备数目；所述第三约束条件SIC基本要求表达为
Figure FDA0003544400410000017
|hk,n|2≤|hk′,n|2，pk′,n表示移动设备k′在子载波n上的发送功率，hk′,n表示移动设备k′在子载波n上的信道增益；基于所述目标函数及其所述多个约束条件中的部分约束条件进行凸松弛处理，获得凸松弛后的函数解，其中，所述凸松弛处理包括用速率变量替换功率变量后所得函数为：
Figure FDA0003544400410000018
其中，(i)′n表示在子载波n上序号为i的移动设备，(Mk)n表示移动设备k在子载波n上按hk,n升序排序后的序位，
并且其中，所述替换功率变量后函数的约束条件为
Figure FDA0003544400410000021
其中，Rk,n表示移动设备k在子载波n上的发送速率；
对所述凸松弛处理所得函数求解P*；
判断所述凸松弛后的函数解是否同时满足所述多个约束条件中的部分约束条件以外的其他约束条件，若同时满足所述其他约束条件，则所述函数解为原目标函数最优解，若不同时满足所述其他约束条件，则调整子载波中的一个或多个参数，使所述凸松弛后的函数解满足所述其他约束条件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，判断凸松弛后函数的解P*是否满足所述多个约束条件中的第二和第三约束条件，若满足，则P*为所述系统功率优化目标函数解；若不满足第二约束条件，则从子载波集合N中选择不满足所述第二约束条件的子载波，并对在其上发送的移动设备数量进行缩减。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征还在于，所述缩减包括对移动设备进行第一优先级排序，按照所述第一优先级排序对移动设备进行置零操作。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征还在于，所述第一优先级排序包括以移动设备k在子载波n上的传输速率与最小传输速率需求的比值进行排序。
5.根据权利要求3或4所述的方法，其特征还在于，判断经由置零操作的移动设备是否满足第一约束条件，若不满足，则加大所述移动设备发送功率值。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征还在于，所述加大移动设备发送功率值包括使用二分法调整发送功率，使得所述移动设备同时满足多个约束条件中的第一约束条件和第二约束条件。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征还在于，判断凸松弛后函数的解P*是否满足所述多个约束条件中的第二和第三约束条件，若同时满足，则P*为所述系统功率优化目标函数解；若不满足所述第三约束条件，则采用第二优先级顺序排序，调整移动设备发送功率。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征还在于，所述第二优先级排序包括以移动设备信道增益排序，并调整移动设备发送功率，使其满足所述第三约束条件。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征还在于，所述调整移动设备发送功率包括：
pi,n＝max(pi,n,pi-1,n)，i≥2
其中，i表示子载波n上按照信道增益排序的序号。
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