CN110944378B - 5g移动通信场景下d2d通信的noma功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了5G移动通信场景下D2D通信的NOMA功率分配方法，包括：步骤1，采集信道增益信息；步骤2，初始化参数；步骤3，如果满足干扰功率限制，跳转至步骤7；步骤4，更新拉格朗日松弛系数μ；步骤5，更新发送端的发送功率；步骤6，判断迭代停止条件是否满足，如果不满足，更新迭代次数v←v+1并返回步骤4；否则执行步骤7；步骤7，输出发送功率。本发明方法能够在满足总发送功率约束以及干扰功率限制的条件下保证D2D组内用户的最低信息速率要求取得D2D组的上行链路最大信息速率和。

Description

5G移动通信场景下D2D通信的NOMA功率分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及5G移动通信场景下D2D通信的NOMA 功率分配方法。

背景技术

D2D(Device-to-Device，设备至设备)通信使得临近的通信器件能够在不需要基础设施支持的条件下直接进行通信，从而能够降低基站与核心网的负载。NOMA (Non-Orthogonal Multiple Access，非正交多址接入)技术允许多个用户通过功率域的复用与SIC(Successive Interference Cancellation，串行干扰消除)来共享相同的时频通信资源，从而提高系统吞吐量与能量有效性。

结合D2D通信与NOMA能够极大提高未来无线通信系统的服务质量。然而，D2D 通信会对传统蜂窝无线通信系统引入额外的干扰，同样的D2D通信本身也会面临来自传统蜂窝无线通信系统的干扰。因此，一个有待解决的关键问题是在最大干扰功率约束下如何分配发送功率，同时控制D2D系统对传统蜂窝无线通信系统引入的干扰，最大化D2D组上行通信链路的总信息速率。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种用于5G场景下D2D通信的NOMA(非正交多址接入)功率分配方法，包括如下步骤：

步骤1，采集信道增益信息；

步骤2，初始化参数；

步骤3，如果满足干扰功率限制，跳转至步骤7，如果不满足，执行步骤4；

步骤4，更新拉格朗日松弛系数μ；

步骤5，更新发送端的发送功率；

步骤6，判断迭代停止条件是否满足，如果不满足，更新迭代次数v←v+1并返回步骤4；否则执行步骤7；

步骤7，输出发送功率。

步骤1包括：D2D组中的第i个发送端记为Txi，i＝1,2,...,M，M为发送端的总数，第i个发送端采集的其与接收端Rx之间的信道增益记为h_i，其与基站BS之间的信道增益记为g_i。

步骤2包括：设置迭代指示数v＝0，设置拉格朗日松弛系数μ＝0，第i个发送端 Txi的发送功率P_i＝P_max，其中P_max为发送端能够使用的最大发送功率。

步骤3包括：如果满足干扰功率限制

跳转至步骤7，其中P_int为基站BS能够接受的最大干扰功率。

步骤4中，按下式更新拉格朗日松弛系数μ：

其中α与β是调节参数，α与β的值设置为α＝2，β＝2。

步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，D2D组上行通信的总信息速率R_D2D为：

其中σ²为接收端噪声功率，则在发送功率限制与干扰功率限制下最大化D2D组上行通信的总信息速率表示为如下的优化问题：

其中，

表示D2D用户组内所有发送端的集合；

步骤5-2，利用拉格朗日松弛方法松弛干扰限制：

其中

为拉格朗日函数，μ为松弛系数；

定义关于松弛系数μ的新函数

其中inf表示计算下确界，则优化问题等价于如下的优化问题：

s.t.μ≥0

取下确界值时，应满足

因此：

由上式得到

取下确界值时最优P_i计算公式为：

其中σ²为接收端噪声功率，符号

定义如下

则第i个发送端Txi的发送功率P_i按照最优P_i计算公式更新。

步骤5-2中，采用次梯度方法来计算函数

的最大值，设第v次迭代时的μ值为μ^(v)，则按下式更新第v+1次迭代时的μ值μ^(v+1)：

其中a>0与b>0为标量常数。

步骤6中，如果

则不满足停止条件，此时更新v←v+1并返回步骤4；其中参数ε的值设置为ε＝10^-3。

有益效果：本发明基于拉格朗日松弛技术，提出了一种D2D用户组的上行NOMA 功率分配迭代方法。本发明能够满足D2D用户的最大发送功率限制，最大化D2D用户组的总信息速率，且能够有效控制产生的外部干扰，解决了5G移动通信场景下D2D 用户组通过NOMA技术进行自组织通信时的最优功率分配问题。最后通过实验表明，本发明方法在实施时具有良好的收敛特性，仅需要很小的计算量，能够取得优异的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/ 或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明考虑的基于NOMA的5G移动通信场景。

图2是使用本发明方法得到的信息速率。

图3是使用本发明方法对BS产生的干扰功率的迭代过程记录。

图4是本发明方法流程图。

具体实施方式

本发明考虑的基于NOMA的5G移动通信场景如图1所示，包含一个基站(BaseStation，BS)与多个用户终端(User Terminal，UT)，其中M+1个用户终端UT(图中的Rx，Tx1、Tx2到TxM)形成D2D通信组直接通信的方式以减轻对BS和核心网的负载。D2D通信组中M个发送端Txi，i＝1,2,...,M通过NOMA的方式直接传输信号给接收端Rx。其他的用户终端UT仍正常传输信号给基站BS。使用

表示D2D用户组内所有发送用户Txi,i＝1,2,...,M的集合。第i个用户终端Txi到接收端Rx间的信道增益为h_i，第i个用户终端Txi到基站BS间的信道增益为g_i。D2D组上行通信的总信息速率R_D2D为：

其中σ²为接收端噪声功率。则在发送功率限制与干扰功率限制下最大化D2D组上行通信的总信息速率表示为如下的优化问题：

利用拉格朗日松弛方法松弛干扰限制：

其中

为拉格朗日函数，μ为松弛系数。

定义关于松弛系数μ的新函数

其中inf表示计算下确界。则式(2)中优化问题等价于如下的优化问题：

取下确界值时，应满足

因此：

由上式得到

取下确界值时最优P_i应为：

其中符号

表示：

是不可微凹函数，本发明中采用次梯度方法来计算

的最大值。设第v次迭代时的μ值为μ^(v)，则按下式更新第v+1次迭代时的μ值μ^(v+1)：

其中a>0与b>0为标量常数。

实施例

如图4所示，本发明公开了以下步骤：

步骤1，信道增益信息采集。D2D组中的发送端Txi，i＝1,2,...,M采集其与接收端Rx之间的信道增益h_i，以及与基站BS之间的信道增益g_i；

步骤2，初始化参数。设置迭代指示数v＝0，设置拉格朗日松弛系数μ＝0，发送端Txi的发送功率P_i＝P_max，i＝1,2,...,M，其中P_max为发送端能够使用的最大发送功率。

步骤3，如果满足干扰功率限制

跳转至步骤7。其中P_int为基站BS能够接受的最大干扰功率。

步骤4，按下式更新拉格朗日松弛系数μ：

其中α与β的值设置为α＝2，β＝2；

步骤5，发送端Txi,i＝1,2,...,M依次更新发送功率如下：

其中σ²为接收端噪声功率，符号

定义如下

步骤6，判断迭代停止条件是否满足。如果

则不满足停止条件，此时更新v←v+1并返回步骤4；其中参数ε的值设置为ε＝10^-3；

步骤7，输出发送功率。

为验证本发明中提出的功率分配方法的性能，使用了如下仿真。仿真中使用了衰落信道中通用的路径损耗模型。

设置路径损耗系数υ＝3，单位距离下的信道衰落系数的方差为1，即

其中

为Txi到Rx之间的距离,

为Txi到BS之间的距离。为方便比较，仿真中让所有Txi到Rx的距离相等为d_h，所有Txi到BS间的距离也相等d_g。由于在 D2D通信中，距离较小的多个UT形成通信组，因此这里设定d_h<d_g。仿真中使用了

与

为便于表示，归一化接收端Rx的加性高斯白噪声的功率为1，即σ²＝1，发送端总功率定义为P_max/σ²，干扰功率限制定义为P_int/σ²，仿真中设置为 P_max/σ²＝25dB，P_th/σ²＝20dB。

仿真中使用了4(M＝4)个发送端Tx的无线场景，表1所示的为随机产生的Tx 与Rx之间以及Tx与BS之间的信道状态系数

与

则经过衰落后的信道增益分别为

与

图2、图3所示的是基于表1中的信道实现数据使用本发明方法得到的信息速率以及对BS产生的干扰功率的迭代过程记录。从图中可以看出本发明方法具有良好的快速收敛特性，经过大约20次迭代就能够获得大约14.1bis/s/Hz的最大信息速率和(见图2)，同时能够很好的控制D2D通信组对BS的干扰使其不超过规定的20dB(见图3)。

表1

以上仿真结果充分说明了本发明中提出的功率分配方法的有效性，能够在满足总发送功率约束以及干扰功率限制的条件下保证D2D组内用户的最低信息速率要求取得 D2D组的上行链路最大信息速率和。

本发明提供了5G移动通信场景下D2D通信的NOMA功率分配方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，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。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.5G移动通信场景下D2D通信的NOMA功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，采集信道增益信息；

步骤2，初始化参数；

步骤3，如果满足干扰功率限制，跳转至步骤7，如果不满足，执行步骤4；

步骤4，更新拉格朗日松弛系数μ；

步骤5，更新发送端的发送功率；

步骤6，判断迭代停止条件是否满足，如果不满足，更新迭代次数v←v+1并返回步骤4；否则执行步骤7；

步骤7，输出发送功率；

步骤1包括：D2D组中的第i个发送端记为Txi，i＝1,2,...,M，M为发送端的总数，第i个发送端与接收端Rx之间的信道增益记为h_i，其与基站BS之间的信道增益记为g_i；

步骤2包括：设置迭代指示数v＝0，设置拉格朗日松弛系数μ＝0，第i个发送端Txi的发送功率P_i＝P_max，其中P_max为发送端能够使用的最大发送功率；

步骤3包括：如果满足干扰功率限制

跳转至步骤7，其中P_int为基站BS能够接受的最大干扰功率；

步骤4中，按下式更新拉格朗日松弛系数μ：

其中α与β是调节参数，α与β的值设置为α＝2，β＝2；

步骤5包括如下步骤：

步骤5-1，D2D组上行通信的总信息速率R_D2D为：

其中σ²为接收端噪声功率，则在发送功率限制与干扰功率限制下最大化D2D组上行通信的总信息速率表示为如下的优化问题：

其中，

表示D2D用户组内所有发送端的集合；

步骤5-2，利用拉格朗日松弛方法松弛干扰限制：

其中

为拉格朗日函数，μ为松弛系数；

定义关于松弛系数μ的新函数

其中inf表示计算下确界，则优化问题等价于如下的优化问题：

s.t.μ≥0

取下确界值时，应满足

因此：

由上式得到

取下确界值时最优P_i计算公式为：

其中σ²为接收端噪声功率，符号

定义如下

则第i个发送端Txi的发送功率P_i按照最优P_i计算公式更新；

步骤5-2中，采用次梯度方法来计算函数

的最大值，设第v次迭代时的μ值为μ^(v)，则按下式更新第v+1次迭代时的μ值μ^(v+1)：

其中a>0与b>0为标量常数；

步骤6中，如果

则不满足停止条件，此时更新v←v+1并返回步骤4；其中参数ε的值设置为ε＝10^-3。

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