CN112449428A - 一种基于能量效率和用户公平的noma下行链路功率分配方法 - Google Patents

一种基于能量效率和用户公平的noma下行链路功率分配方法 Download PDF

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CN112449428A CN201910836517.7A CN201910836517A CN112449428A CN 112449428 A CN112449428 A CN 112449428A CN 201910836517 A CN201910836517 A CN 201910836517A CN 112449428 A CN112449428 A CN 112449428A
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Abstract

本发明公开了一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，根据基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure DDA0002192334520000011
确定计算系统和速率与系统能量消耗总和的比值EE的目标函数并设置所述目标函数的约束条件，以该目标函数最大化确定NOMA下行链路功率分配方法。本发明方法在已有方法的基础上提出一种同时满足系统能量效率和用户公平性的折衷方法，在满足系统平均能量效率下限的前提下提升了用户公平性，改善了小区边缘用户的信息传输速率。同时，所提方法基站能量利用率接近100％，实现了基站能量的高效利用。

Description

一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法
技术领域
本发明涉及移动通信系统非正交多址编码技术领域，尤其涉及NOMA系统的下行链路功率分配方法。
背景技术
在过去数十年里，移动通信的技术进步对全球经济和社会发展作出了巨大贡献，移动通信已成为经济社会发展不可缺少的重要组成部分。在未来应用和需求的驱使下，第五代移动通信系统(the Fifth Generation,5G)的革新思考和讨论已经在全球范围展开。多样化的应用场景以及差异化的性能指标需求对5G技术提出了更丰富的技术框架和关键技术，需要从多址接入技术、无线空口技术、无线组网技术以及网络架构等方面实现创新。
其中，在多址接入技术方面，提出了非正交多址接入(Non-Orthogonal MultipleAccess,NOMA)技术。不同于传统正交多址接入中不同用户必须使用相互正交资源的情况，NOMA技术可以在同一时频资源单元上为多个用户提供服务，并通过功率维度区分用户。利用发射机处的叠加编码(Superposition Coding,SC)和接收机处的串行干扰消除(Successive Interference Cancellation,SIC)的组合，NOMA可以实现比传统正交多址接入更高的系统吞吐量、频谱效率(Spectral Efficiency,SE)和能量效率(EnergyEfficiency,EE)等性能。
关于NOMA的早期研究主要集中在改善系统吞吐量和频谱效率。近年来，由于无线通信网络的爆炸式增长，其能源消耗已经占据世界能源消耗的5％，因此能量效率引起了人们的广泛关注。
现有技术中以EE最大化为目标的NOMA下行链路功率分配方法如下：
EE为系统和速率与系统能量消耗总和的比值，即
Figure BDA0002192334500000021
其中，R为系统和速率，Rk第k个用户获得的信息速率；Psys为系统能量消耗总和，Pt为系统的用户能量消耗之和，Pc为系统的电路能量消耗，ak为第k个用户的功率分配系数。
NOMA下行链路功率分配的目标函数如下式：
Figure BDA0002192334500000022
Figure BDA0002192334500000023
其中，0≤ak≤1，
Figure BDA0002192334500000024
和
Figure BDA0002192334500000025
分别表示了第k个用户和所有用户总和的功率分配系数限制，
Figure BDA0002192334500000026
为第k个用户获得的最小信息速率。
为了满足用户的QoS(QoS的英文全称为“Quality of Service”，中文名为“服务质量”；QoS是网络的一种安全机制，是用来解决网络延迟和阻塞等问题的一种技术。)要求，首先需要计算基站最小可用功率Pmin，使得用户速率满足
Figure BDA0002192334500000027
Figure BDA0002192334500000028
为了得到EE最大值，将和速率R表达式转化为
Figure BDA0002192334500000031
其中，Ck＝P|hk|2，k＝1，2，…，K；
Figure BDA0002192334500000032
Figure BDA0002192334500000033
Fx(xk)＝log2(Ck+1xk+σ2)-log2(Ckxk+σ2)，k＝1，2，…，K-1。功率分配系数ak，k＝1，2，…，K和基站能量利用率θ是未知的。为了使EE取最大值，首先将θ当作常数，通过下式求解ak关于θ的取值，k＝1，2，…，K。
Figure BDA0002192334500000034
目前已有两种功率分配方法：
方法一：是为了追求频谱效率最大化，直接设定θ＝1的频谱效率功率分配方法MaxSE(Max Spectral Efficiency)方法；
方法二：是能量效率功率分配方法(Energy-Efficient Power Allocation,EEPA)，根据基站可用功率P求取基站能量利用率θ，进而求解ak(θ)，k＝1，2，…，K。方法二即是以EE最大化为目标的NOMA下行链路功率分配方法。
这两种方法虽然保证了用户初始最低速率，但是都没有考虑用户的公平性，将超过基站最低所需发射功率Pmin的其余所有功率用于提升信道增益条件最好用户的信息速率。结果显示，随着基站可用功率的提高，信道增益条件最好用户的信息速率不断提升，而其余所有用户则仅仅满足初始最低速率，极大地限制了信道增益条件较差尤其是小区边缘用户的性能。当基站可用功率P超过一定值P*时，MaxSE的基站能量利用率θ一直为1，即基站将全部能量分配给用户，然而它的用户公平性比EEPA更差；EEPA的系统EE能够一直保持最高，然而却导致了基站能量利用率θ很低，一定程度造成了基站能量的浪费。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中基于EE的NOMA技术没有考虑用户公平性而导致有些用户信息传输速率有待提高的问题，针对NOMA系统下行链路，提出一种兼顾能量效率与用户公平性的功率分配方法EUPA(Energy-Efficiency Joint User-Fairness Power Allocation)。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方法：
本发明提供一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，包括如下步骤：
基于预先建立的基于蜂窝网络的NOMA下行链路系统，根据基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000041
确定计算系统和速率与系统能量消耗总和的比值EE的目标函数；以该目标函数最大化确定NOMA下行链路功率分配方法，具体包括：
设置所述目标函数的约束条件为：本发明方法在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure BDA0002192334500000042
时的能量效率
Figure BDA0002192334500000043
大于等于频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率EEMaxSE(P)；
初始时，设置基站可用功率P为预先设定的基站最小可用功率，分别采用频谱效率分配方法和能量效率分配方法求解获得EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)；两种方法求解获得的值相同；
按照预设的步长增大基站可用功率，直到EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)不相等，则此时的基站可用功率为功率临界点；
继续按照预设步长增加基站可用功率使其超过临界点，计算在当前基站可用功率下的频谱效率分配方法和能量效率分配方法的能量效率数值EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)，设定此时小区边缘用户的信息传输速率为用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000051
按照预设步长提高用户最低信息速率并重新计算目标函值
Figure BDA0002192334500000052
并采用频谱效率分配法计算EEMaxSE(P)，并采用二分法计算EEMaxSE(P)与
Figure BDA0002192334500000053
差值的零点，
由
Figure BDA0002192334500000054
求得小区边缘用户所需的发射功率Pk，k＝1，2，…，K-1，采用能量效率分配方法确定第K个用户所需的发射功率PK。
进一步地，所述目标函数的表达式如下：
Figure BDA0002192334500000055
其中，P为基站可用功率；
Figure BDA0002192334500000056
为用户最低信息速率；RK(P)为基站可用功率为P时第K个用户的信息传输速率；aK(P)为基站可用功率为P时第K个用户的功率分配系数；Pc为系统的电路能量消耗；
Figure BDA0002192334500000057
为基站可用功率为P时第k个用户为达到用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000058
所需的功率；
进一步地，用二分法计算EEMaxSE(P)与
Figure BDA0002192334500000059
差值的零点的具体方法如下：
(1)基站可用功率P值固定，EEMaxSE(P)与
Figure BDA0002192334500000061
差值表示式如下：
Figure BDA0002192334500000062
Figure BDA0002192334500000063
关于用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000064
单调递减；
(2)设定用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000065
的下限为R1、上限为R2，使得f(R1)>0，f(R2)<0，用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000066
的取值区间为[R1,R2]；
(3)取区间中点R3＝(R1+R2)/2，求取f(R3)；
(4)若f(R3)>0，则取[R3,R2]为新的区间，否则取[R1,R3]；
(5)重复步骤(3)和(4)，直至区间长度≤e，e为预设精度，输出此时的
Figure BDA0002192334500000067
值。
进一步地，由
Figure BDA0002192334500000068
求得小区边缘用户所需的发射功率Pk，k＝1，2，…，K-1，表达式如下：
Figure BDA0002192334500000069
其中，
Figure BDA00021923345000000610
为用户最低信息速率，hk为从基站BS到第k个用户的信道参数，Pi为第i个用户所需的发射功率，σ2为加性高斯白噪声的功率。
有益效果
本发明在已有EEPA方法的基础上增加用户最低信息速率
Figure BDA00021923345000000611
既提高了用户公平性也提高了基站能量利用率，但是需要基站向信道条件较差的用户分配更多的功率；
本发明方法设置了EE的约束条件即约定了其下限，优化了本发明能量效率功率分配的性能；实现在满足系统平均EE下限的前提下提升了用户公平性；
本发明方法在基站可用功率提升时，提高用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000071
的值，也就是将部分功率分配给小区边缘用户，因此用户最低速率能够随着基站可用功率的提升而得到提高，改善了小区边缘用户的信息传输速率，满足了用户公平性需求。同时，所提方法基站能量利用率接近100％，实现了基站能量的高效利用。
附图说明
图1具体实施例中基于蜂窝网络的NOMA下行链路系统模型；
图2四种方法的系统平均EE随基站可用功率的变化情况；
图3本发明方法具体实施例用户最低速率
Figure BDA0002192334500000072
随基站可用功率的变化情况；
图4三种方法在基站可用功率为25dBm、30dBm和35dBm时三个用户的速率；
图5三种方法基站能量利用率随基站可用功率的变化情况；
图6是本发明具体实施例功率分配方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方法做进一步的详细说明。
本发明基于预先建立的基于蜂窝网络的NOMA下行链路系统，提供一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，所述系统描述如下：
在一个蜂窝小区内，存在一个基站BS同时服务K个用户，假设在基站一侧完全掌握信道状态信息。从基站BS到第k(1≤k≤K)个用户的信道参数为
Figure BDA0002192334500000081
其中gk是基站到第k个用户的瑞利衰落系数，服从复正态分布；dk是基站到第k个用户的距离；α是路径损耗指数。设定用户按照信道增益升序排序，即0≤|h1|2≤|h2|2≤…≤|hK|2。系统模型如图1所示。
假设基站可用功率为P，第k个用户分配的功率为Pk＝akP，其中ak为第k个用户的功率分配系数；第k个用户从基站接收到的信号为xk；第k个用户的调制符号为Sk，满足E[|Sk|2]＝1。
考虑到用户在子信道上复用，基站BS在信道上传输的叠加符号x由调制符号的叠加给出，表达式如下：
Figure BDA0002192334500000082
假设基站和用户都配备了单个天线，wk～N(0，1)是第k个子信道的加性高斯白噪声，那么用户通过子信道接收的信号可以写成
yk＝hkx+wk，1≤k≤K (2)，
在SIC过程中，用户k将信道增益小于自身的用户信号Si(i<k)进行解码并将它从接收信号中去除，将信道增益大于自身的用户信号Si(i>k)当作干扰信号。经过SIC过程，第k个用户获得的信息速率Rk为：
Figure BDA0002192334500000083
假设每个用户都能达到其最大速率，即式(3)取等号成立，
Figure BDA0002192334500000084
因此，系统的和速率为
Figure BDA0002192334500000091
假设系统的用户能量消耗之和
Figure BDA0002192334500000092
系统的电路能量消耗为Pc，则系统能量消耗总和Psys＝Pt+Pc。根据定义，EE为系统和速率与系统能量消耗总和的比值，即
Figure BDA0002192334500000093
利用EEPA求取基站能量利用率θ以及用户功率分配系数ak，k＝1，2，…，K，代入式(6)，可以得到
Figure BDA0002192334500000094
其中，R(P)为基站可用功率为P时EEPA的系统和速率，RK(P)为基站可用功率为P时EEPA第K个用户的信息传输速率，aK(P)为基站可用功率为P时EEPA第K个用户的功率分配系数，Pc为系统的电路能量消耗，
Figure BDA0002192334500000095
为基站可用功率为P时第k个用户为达到最低信息传输速率
Figure BDA0002192334500000096
所需的功率。
式(7)中的
Figure BDA0002192334500000097
代表了第k个用户的最低速率，由于EEPA方法将超过基站最低所需发射功率Pmin的其余所有功率(θP-Pmin)用于提升信道增益条件最好用户的信息速率，所以
Figure BDA0002192334500000098
为了改善系统用户公平性，需要提高用户最低信息传输速率。实施例提供了一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法(流程示意图见图6)：包括以下步骤：
步骤一：基于预先建立的基于蜂窝网络的NOMA下行链路系统，根据基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000099
确定计算系统和速率与系统能量消耗总和的比值EE的目标函数；
具体实施时，设定第k个用户获得的信息速率Rk、第k个用户的最低速率
Figure BDA0002192334500000104
和用户最低信息速率满足：
Figure BDA0002192334500000101
则EE转化为基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000105
的表达式，即为根据基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000106
确定计算系统和速率与系统能量消耗总和的比值EE的目标函数，如下所示：
Figure BDA0002192334500000102
其中，当P为定值时，RK(P)和aK(P)确定，将
Figure BDA0002192334500000107
看作变量。本发明方法在EEPA方法的基础上增加
Figure BDA0002192334500000108
既提高了用户公平性也提高了基站能量利用率，但是需要基站向信道条件较差的用户分配更多的功率，从而导致EE性能相比于EEPA方法有所降低。
步骤二：为优化本发明能量效率功率分配的性能，设置约束条件，保证EE性能的下限
Figure BDA0002192334500000103
步骤三：初始时，设置基站可用功率P为预先设定的基站最小可用功率，分别采用频谱效率分配方法和能量效率分配方法求解获得二者在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)；两种方法求解获得的值相同；
基站最小的可用功率可按照以下方法确定：
设置用户初始最低信息传输速率
Figure BDA0002192334500000109
计算基站最小可用功率Pmin。
将θ当作常数，通过下式求解ak关于θ的取值，k＝1，2，…，K。
Figure BDA0002192334500000111
如果令θ＝1，将P、
Figure BDA0002192334500000112
和ak(θ)代入
Figure BDA0002192334500000113
可以得到EEMaxSE(P)。
如果将P、
Figure BDA0002192334500000114
和ak(θ)代入
Figure BDA0002192334500000115
P、
Figure BDA0002192334500000116
已知，θ作为变量，可以将
Figure BDA0002192334500000117
看作EE(θ)，通过求
Figure BDA0002192334500000118
的零点获得θ的最优解，可以得到EEEEPA(P)。
分别计算EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)的值：初始时EUPA与MaxSE和EEPA具有相同的功率分配系数ak(θ)，同时EEEUPA(P)＝能量效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)＝频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEEEPA(P)，
步骤四：按照预设的步长增大基站可用功率，直到频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)和能量效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEEEPA(P)不相等，则此时的基站总可用功率为功率临界点；
在具体实施例中，以1dbm为步长，增大基站可用功率P的值，直至出现EEMaxSE(P)≠EEEEPA(P)。
当出现EEMaxSE(P)≠EEEEPA(P)时，设定此时的P＝P*为功率临界点；
步骤五：当P超过临界点P*后，采用现有技术计算EEMaxSE(P)以及EEPA方法的RK(P)和aK(P)，设定此时小区边缘用户的信息传输速率
Figure BDA0002192334500000122
步骤六：提高用户最低信息速率
Figure BDA0002192334500000123
的值，利用二分法计算
Figure BDA0002192334500000125
的零点，此时的
Figure BDA0002192334500000124
即为小区边缘用户的信息传输速率，也是用户最低信息传输速率。此时的Pk，k＝1，2，...，K即为第k个用户应该分配的功率，表达式如下：
Figure BDA0002192334500000121
其中，
Figure BDA0002192334500000126
为用户最低信息速率，hk为从基站BS到第k个用户的信道参数。
二分法的具体流程为：(1)P值固定，令
Figure BDA0002192334500000127
Figure BDA0002192334500000128
Figure BDA0002192334500000129
关于
Figure BDA00021923345000001210
单调递减；(2)设定
Figure BDA00021923345000001211
的下限R1＝1bit/s，上限R2＝5bit/s，
Figure BDA00021923345000001212
的取值区间为[R1,R2]，精度e＝0.01，此时f(R1)>0，f(R2)<0；(3)取区间中点R3＝(R1+R2)/2，求取f(R3)。(4)若f(R3)>0，则取[R3,R2]为新的区间，否则取[R1,R3]；(5)重复步骤(3)和(4)，直至区间长度≤e，输出此时的
Figure BDA00021923345000001213
值。
仿真结果与分析：
对本发明方法和已有的MaxSE方法、EEPA方法以及传统正交多址(OMA)方法中的频分多址(TDMA)进行了仿真，TDMA采用每个用户分配相同时隙长度和相同传输功率的方法。每次仿真采用100000次随机信道生成取平均值。仿真结果见图2、图3、图4和图5。
图2显示了四种方法的系统平均EE随基站可用功率的变化情况。可以看出，EEPA的平均能量效率是最高的，因为它使用了较少比例的基站可用功率，同时将超过基站最低所需发射功率Pmin的其余所有功率(θP-Pmin)用于提升信道增益条件最好用户的信息速率。本发明提出的本发明方法(EUPA)是系统EE与用户公平性性能的折衷考虑，在提升用户公平性的前提下满足系统平均EE下限不低于频谱效率分配方法：EEEUPA(P)≥EEMaxSE(P)，因此本发明方法(EUPA)的平均能量效率曲线与MaxSE重合，但相比于EEPA方法有所降低。同时，这三种方法的平均EE都大于传统正交多址(Orthogonal Multiple Access,OMA)中的时分多址(Time Division Multiple Access，TDMA)，这也体现了NOMA在能量效率方面的优越性。传统OMA中不同用户必须使用相互正交资源，这样虽然减少了干扰，但是却限制了用户信息传输速率，导致EE的值也较低。NOMA技术可以在同一时频资源单元上同时为多个用户提供服务，并通过功率维度区分用户，从而获得更高的用户信息传输速率和EE性能。
在用户公平性方面，图3描述了用户最低速率
Figure BDA0002192334500000131
随基站可用功率的变化情况。由于MaxSE和EEPA方法只考虑提升具有最好信道增益条件的用户3的速率，因此他们的用户最低速率
Figure BDA0002192334500000132
一直保持下限值，不随基站可用功率的提升而得到提高，因而不满足用户公平性。本发明提出的本发明方法(EUPA)在基站可用功率提升时，将部分功率分配给小区边缘用户，因此用户最低速率
Figure BDA0002192334500000133
能够随着基站可用功率的提升而得到提高，改善了小区边缘用户的信息传输速率，满足了用户公平性需求。图4具体描述了三种方法在基站可用功率为25dBm、30dBm和35dBm时三个用户的速率。可以看出，MaxSE的公平性是最差的，且随着基站可用功率的提升不断恶化；EEPA的公平性比MaxSE稍好，但是始终保持一个较低的水平；本发明方法(EUPA)的公平性相比于以上两种方法有了一定的改善，而且公平性随着基站可用功率的提升而提高。为位置不同的用户1和用户2分配相同的最低信息速率，是为了提高用户公平性而做出的选择。
图5描述了基站能量利用率随基站可用功率的变化情况。由于EEPA只以提升系统平均EE为单一目标，所以它的基站能量利用率是最低的。当基站可用功率超过功率临界点P*之后，便迅速下降。当基站可用功率超过25dBm之后基站能量利用率已经低于50％，当基站可用功率超过30dBm之后基站能量利用率已经低于20％，因此它的SE很低。从一定角度来说，这造成了基站能量的浪费，与能量效率的原则产生了矛盾。本发明提出的本发明方法(EUPA)尽可能地利用基站可用功率，其基站能量利用率与MaxSE接近，近似于100％，实现了基站能量的高效利用。本发明方法(EUPA)基站能量利用率不能始终保持100％的原因在于：本发明方法(EUPA)发射功率在EEPA发射功率的基础上逐渐增加，需要满足系统平均EE下限：EEEUPA(P)≥EEMaxSE(P)，仿真时由于复高斯过程的随机性不能保证每次达到全部可用功率。仿真采用100000次随机信道生成取平均值，最终结果相比于100％略有降低。
本发明基于预先建立的基于蜂窝网络的NOMA下行链路传输模型，研究通信系统能量效率优化问题，然后在已有方法的基础上提出一种同时满足系统能量效率和用户公平性的折衷方法。本发明的方法在满足系统平均能量效率下限的前提下提升了用户公平性，改善了小区边缘用户的信息传输速率。同时，所提方法基站能量利用率接近100％，实现了基站能量的高效利用。
本领域内的技术人员应明白，本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，包括如下步骤：
基于预先建立的基于蜂窝网络的NOMA下行链路系统，根据基站可用功率P和用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000011
确定计算系统和速率与系统能量消耗总和的比值EE的目标函数；以该目标函数最大化确定NOMA下行链路功率分配方法，具体包括：
设置所述目标函数的约束条件为：在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA0002192334490000012
时的能量效率
Figure FDA0002192334490000013
大于等于频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率EEMaxSE(P)；
初始时，设置基站可用功率P为预先设定的基站最小可用功率，分别采用频谱效率分配方法和能量效率分配方法求解获得二者在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)，两种方法求解获得的值相同；
按照预设的步长增大基站可用功率P，直到频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)和能量效率方法在基站可用功率为P时的能量效率数值EEEEPA(P)不相等，则此时的基站可用功率为功率临界点；
继续按照预设步长增加基站可用功率P使其超过临界点，计算在当前基站可用功率下的频谱效率分配方法和能量效率分配方法的能量效率数值EEMaxSE(P)和EEEEPA(P)，设定此时小区边缘用户的信息传输速率为用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000014
按照预设步长提高用户最低信息速率并重新计算在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA0002192334490000021
时的能量效率
Figure FDA0002192334490000022
采用频谱效率分配法计算在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)，采用二分法计算在基站可用功率为P时的能量效率数值EEMaxSE(P)与在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA0002192334490000023
时的能量效率
Figure FDA0002192334490000024
差值的零点，此时的系统边缘用户的信息传输速率就是小区边缘用户的信息传输速率；由
Figure FDA0002192334490000025
求得小区边缘用户所需的发射功率Pk，k＝1，2，…，K-1，采用能量效率分配方法确定第K个用户所需的发射功率PK。
2.根据权利要求1所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，所述目标函数的表达式如下：
Figure FDA0002192334490000026
其中，P为基站可用功率；
Figure FDA0002192334490000027
为用户最低信息速率；RK(P)为基站可用功率为P时第K个用户的信息传输速率；aK(P)为基站可用功率为P时第K个用户的功率分配系数；Pc为系统的电路能量消耗；
Figure FDA0002192334490000028
为基站可用功率为P时第k个用户为达到用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000029
所需的功率；
Figure FDA00021923344900000210
为在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA00021923344900000211
时的能量效率。
3.根据权利要求1所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，二分法计算频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率EEMaxSE(P)与在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA0002192334490000031
时的能量效率
Figure FDA0002192334490000032
差值的零点的具体方法如下：
(1)基站可用功率P值固定，频谱效率方法在基站可用功率为P时的能量效率EEMaxSE(P)与在基站可用功率为P、用户最低信息速率为
Figure FDA0002192334490000033
时的能量效率
Figure FDA0002192334490000034
差值表示式如下：
Figure FDA0002192334490000035
Figure FDA0002192334490000036
关于用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000037
单调递减；
(2)设定用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000038
的下限为R1、上限为R2，使满足f(R1)大于零，f(R2)小于零，用户最低信息速率
Figure FDA0002192334490000039
的取值区间为[R1,R2]；
(3)取区间中点R3＝(R1+R2)/2，求取f(R3)；
(4)若f(R3)大于0，则取[R3,R2]为新的区间，否则取[R1,R3]；
(5)重复步骤(3)和(4)，直至区间长度小于等于预设精度e；输出此时的
Figure FDA00021923344900000310
值。
4.根据权利要求3所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，设定用户最低信息速率
Figure FDA00021923344900000311
的下限为1bit/s、上限为5bit/s。
5.根据权利要求3所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，预设精度e为0.01。
6.根据权利要求1所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，所述NOMA下行链路系统中一个蜂窝小区内基站BS同时服务K个用户，从基站BS到第k个用户的信道参数为hk，表达式为：
Figure FDA0002192334490000041
其中，k的范围为1≤k≤K，gk是基站到第k个用户的瑞利衰落系数，服从复正态分布；dk是基站到第k个用户的距离；α是路径损耗指数。
7.根据权利要求1所述的一种基于能量效率和用户公平的NOMA下行链路功率分配方法，其特征在于，由
Figure FDA0002192334490000042
求得小区边缘用户所需的发射功率Pk，k＝1，2，…，K-1，表达式为：
Figure FDA0002192334490000043
其中，
Figure FDA0002192334490000044
为用户最低信息速率，hk为从基站BS到第k个用户的信道参数，Pi为第i个用户所需的发射功率，σ2为加性高斯白噪声的功率。
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