CN111918376B - 一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，包括步骤：包括步骤：S1、根据已知的NOMA用户分簇方案、用户最低QoS需求和信道增益值，计算基站最低的QoS保障总功率值，若基站的可用总功率大于或等于最低的QoS保障总功率值时，则进行步骤S2；S2、按斯坦伯格博弈理论以基站为卖方，以NOMA簇为买方对多个NOMA簇间的功率分配问题进行博弈模型建模，所述博弈模型以最大化基站卖出资源效益为目标，以基站功率资源和各个用户最小数据传输速率为约束为每个NOMA簇的用户进行功率分配；S3、由S2建立的优化问题得到每个NOMA簇组成用户各自的功率分配值。本发明尽可能地保证各个用户的最低QoS需求的前提下最大化基站售出QoS溢出功率所得收益，符合现实应用的场景能够有效地应用于工程实际。

Description

一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法
技术领域
本发明涉及一种多用户功率控制方法，特别是涉及一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法。
背景技术
在非正交多址关键技术中，如何高效地实现多用户多NOMA簇间的功率控制是无线通信研究的重点内容之一。在采用非正交多址接入技术的网络场景中，大量用户采用两两用户配对的原则进行NOMA分簇。但是，由于每个用户独立且不同的最小传输速率约束以及信道增益，使得基站功率如何在多个NOMA簇以及用户间动态地进行功率控制成为了面向非正交多址接入的多用户网络中的热点和难点。现有的面向非正交多址接入的功率控制方法大部分是以最大化网络吞吐量和能量效率等性能或者在NOMA簇间采用均匀分配功率值进行的，且多个NOMA簇间的功率控制方法常以迭代的方式求得，因此在实际应用中效率较低。
发明内容
针对上述现有技术缺陷，本发明的任务在于提供一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，在尽可能地保证各个用户的最低QoS需求的前提下最大化基站售出QoS溢出功率所得收益。
本发明技术方案是这样的：一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，包括步骤：S1、根据已知的NOMA用户分簇方案以及相应的用户最低QoS需求和信道增益值，计算基站最低的QoS保障总功率值，若基站的可用总功率大于或等于所述最低的QoS保障总功率值时，则进行步骤S2；S2、按斯坦伯格博弈理论以基站为卖方，以NOMA簇为买方对多个NOMA簇间的功率分配问题进行博弈模型建模，所述博弈模型以最大化基站卖出资源效益为目标，以基站功率资源为约束为每个NOMA簇的用户进行功率分配；S3、由S2建立的优化问题得到组成每个NOMA簇的两个配对用户各自的功率分配值。
进一步地，所述最低的QoS保障总功率值是基站在已知NOMA分簇的前提下，为用户无偿提供且恰好保证所有用户最低数据传输速率的总功率值。
进一步地，所述博弈模型中卖方效用函数定义为基站售卖功率资源给所有NOMA簇的QoS溢出功率值所获得的收益，所述卖方效用函数表示为
Figure BDA0002598425720000011
其中β表示为NOMA簇i购买单位功率时的价格，pi,1和pi,2为在NOMA簇i中第1和第2用户的功率值，
Figure BDA0002598425720000012
为NOMA簇i的最低QoS的需求的功率值，
Figure BDA0002598425720000013
表示NOMA簇i的QoS溢出功率值，
Figure BDA0002598425720000021
表示NOMA簇i在购买
Figure BDA0002598425720000022
时所付的代价。
进一步地，所述博弈模型中买方效用函数定义为NOMA簇中用户获得基站资源所得到的速率与其付出的代价之差，所述买方效用函数表示为
Figure BDA0002598425720000023
Figure BDA0002598425720000024
其中Ri,1和Ri,2为在NOMA簇i中第1和第2用户的数据传输速率，β表示为NOMA簇i购买单位功率时的价格，
Figure BDA0002598425720000025
表示NOMA簇i在购买
Figure BDA0002598425720000026
时所付的代价。
进一步地，所述步骤S3通过基站下行总功率pmax与系统参数的比较直接获得每个NOMA簇的每个组成用户功率控制向量的闭合解。
本发明与现有技术相比的优点在于：本发明根据采用非正交多址方式接入到网络中的各个用户的信道增益以及最低QoS需求等信息，利用有限的功率资源为多用户QoS进行无偿的功率分配，可以保证所有用户的最低数据传输速率的需求，同时可以最大限度地利用网络溢出功率，最大化基站卖给NOMA用户的效益，最终通过基站下行总功率pmax与系统参数的比较无需迭代直接获得每个NOMA簇的每个组成用户功率控制向量的闭合解。本方法结合了非正交多址接入技术和用户不同QoS和信道增益的特点，物理上符合现实应用的场景并将能够有效地应用于工程实际。
附图说明
图1为面向非正交多址接入的多用户功率控制方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，但不作为对本发明的限定。
本发明实施例涉及的面向非正交多址接入的多用户功率控制方法包括以下步骤：
S1、根据已知的NOMA用户分簇方案以及相应的用户最低QoS需求和信道增益值，计算基站最低的QoS保障总功率值，若基站的可用总功率大于或等于该最低的QoS保障总功率值时，则进行步骤S2；否则基站不能同时保证所有用户的最低QoS值，本发明所提的方法不适用此情况；其中最低的QoS保障总功率值是基站在已知NOMA分簇的前提下，恰好保证所有用户最低数据传输速率的总功率值。基站的可用功率值大于或等于所述的最低QoS保障总功率值是本发明提供的功率控制方法应用的前提条件。
S2、以基站作为卖家，而多个NOMA簇作为买家进行斯坦伯格博弈(Stackelberggame)数学建模。由于基站拥有资源，因此将它作为卖方，而多个由两两用户配对组成的NOMA簇因为不能无偿地使用溢出的基站功率为其大于最低QoS的数据传输速率提供支撑，因此必须采用买资源的方式进行资源的分配。其中基站制定单位功率所需的价格，在多个NOMA簇间根据其价格进行买功率的博弈。通过最优化算法首先得到最优售卖价格，进而可以求得基站分配给每个NOMA簇的功率值；
S3、根据S2中获得的每个NOMA簇的功率值，可以得到组成每个NOMA簇的两个配对用户各自的功率分配值。
请结合图1所示，对本发明方案设计作进一步的具体分析和描述。
假设面向非正交多址接入网络中共有2M个用户，若面向非正交多址接入网络中的NOMA分簇、用户信道增益或者用户QoS发生变化，基站重新计算该系统状态下的最低的QoS保障总功率值，记为pth。
记
Figure BDA0002598425720000031
和
Figure BDA0002598425720000032
以及|hi,1|2和|hi,2|2分别为在NOMA簇i中用户1和用户2最小QoS需求，其中有|hi,1|2<|hi,2|2。在本发明中，基站首先无偿为所有用户提供各自最低QoS的保障。因此，基站分配给NOMA簇i的用户1和用户2的功率所得的吞吐量应大于或等于该用户最小QoS值，即
Figure BDA0002598425720000033
Figure BDA0002598425720000034
其中，pi,1和pi,2为分别为在NOMA簇i中用户1和用户2的功率值，因此根据最小化用户总功率原理，有
Figure BDA0002598425720000035
从而根据上述最优化问题求解出最低的QoS保障总功率值，为
Figure BDA0002598425720000036
若基站的可用总功率pmax≥pth，则基站的资源允许用户的数据传输速率溢出；否则，基站没有多余的功率供给溢出的数据传输速率。
对于多个NOMA簇间的功率分配，令β表示NOMA簇i买单位功率时的价格，
Figure BDA0002598425720000037
表示该用户在购买溢出资源
Figure BDA0002598425720000038
时所付的代价。因此，NOMA簇i在Stackelberg game理论下的效用函数为
Figure BDA0002598425720000039
对于每个NOMA簇，其目标是最大化自身的效用函数。同时，基站应保障各个用户最低QoS值。因此，基站分配给NOMA簇i的用户1和用户2的功率所得的吞吐量应大于或等于该用户最小QoS值，即
Figure BDA00025984257200000310
Figure BDA0002598425720000041
Figure BDA0002598425720000042
而在基站方面，由于将溢出的功率通过竞价方式卖给多个NOMA簇，因此其目标函数为
Figure BDA0002598425720000043
由于总功率受限，功率约束为
Figure BDA0002598425720000044
令M个NOMA簇按照参数
Figure BDA0002598425720000045
的升序进行排序，即κ1<κ2<…<κM。
然后根据最优化理论求得保证上述约束的最佳功率分配解向量为
若
Figure BDA0002598425720000046
其中
Figure BDA0002598425720000047
则有
Figure BDA0002598425720000048
从而，有
Figure BDA0002598425720000049
其中，
Figure BDA00025984257200000410
为基站分配给第i个NOMA簇的功率值。
进而，有
Figure BDA00025984257200000411
和
Figure BDA00025984257200000412
若
Figure BDA00025984257200000413
m≤M-1，则有
Figure BDA00025984257200000414
从而，有
Figure BDA00025984257200000415
和
Figure BDA0002598425720000051
进而，有
Figure BDA0002598425720000052
Figure BDA0002598425720000053
和
Figure BDA0002598425720000054
Figure BDA0002598425720000055
若
Figure BDA0002598425720000056
则有
Figure BDA0002598425720000057
和
Figure BDA0002598425720000058

Claims (3)

1.一种面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，其特征在于，包括步骤：S1、根据已知的NOMA用户分簇方案以及相应的用户最低QoS需求和信道增益值，计算基站最低的QoS保障总功率值，若基站的可用总功率大于或等于所述最低的QoS保障总功率值时，则进行步骤S2；S2、按斯坦伯格博弈理论以基站为卖方，以NOMA簇为买方对多个NOMA簇间的功率分配问题进行博弈模型建模，所述博弈模型中卖方效用函数定义为基站售卖功率资源给所有NOMA簇的QoS溢出功率值所获得的收益，所述卖方效用函数表示为
Figure FDA0003249506460000011
其中β表示为NOMA簇i购买单位功率时的价格，pi,1和pi,2为在NOMA簇i中第1和第2用户的功率值，
Figure FDA0003249506460000012
为NOMA簇i的最低QoS的需求的功率值，
Figure FDA0003249506460000013
表示NOMA簇i的QoS溢出功率值，
Figure FDA0003249506460000014
Figure FDA0003249506460000015
表示NOMA簇i在购买
Figure FDA0003249506460000016
时所付的代价，所述博弈模型中买方效用函数定义为NOMA簇中用户获得基站资源所得到的速率与其付出的代价之差，所述买方效用函数表示为
Figure FDA0003249506460000017
其中Ri,1和Ri,2为在NOMA簇i中第1和第2用户的数据传输速率，β表示为NOMA簇i购买单位功率时的价格，
Figure FDA0003249506460000018
表示NOMA簇i在购买
Figure FDA0003249506460000019
时所付的代价，所述博弈模型以最大化基站卖出资源效益为目标，以基站功率资源和各个用户最小数据传输速率为约束为每个NOMA簇的用户进行功率分配；S3、由S2建立的优化问题得到组成每个NOMA簇的两个配对用户各自的功率分配值。
2.根据权利要求1所述的面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，其特征在于，所述最低的QoS保障总功率值是基站在已知NOMA分簇的前提下，为用户无偿提供且恰好保证所有用户最低数据传输速率的总功率值。
3.根据权利要求1所述的面向非正交多址接入的多用户功率控制方法，其特征在于，所述步骤S3通过基站下行总功率pmax与系统参数的比较直接获得每个NOMA簇的每个组成用户功率控制向量的闭合解。
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