CN112911711A

CN112911711A - 一种多载波noma系统的资源分配方法

Info

Publication number: CN112911711A
Application number: CN202110046439.8A
Authority: CN
Inventors: 朱政宇; 吕亚培; 王梓暄; 孙钢灿; 郝万明; 刘沛佳; 郭亚博; 林宇; 陈鹏飞; 申凌峰
Original assignee: Zhengzhou University
Current assignee: Zhengzhou University
Priority date: 2021-01-14
Filing date: 2021-01-14
Publication date: 2021-06-04

Abstract

本发明公开了一种多载波NOMA系统资源分配方法。在保证所有系统接入用户服务质量约束下的最小数据速率和基站总发射功率限制的条件下，构建了以最大化系统和速率为目标的数学优化问题，并将原始的非凸问题拆分为两个主要的凸子问题分别进行求解。一方面，针对用户与子载波的调度，提出了两步式双边匹配算法，在保证系统性能的情况下，能够快速有效地完成系统中用户和子载波的调度与匹配。另一方面，关于系统中的功率分配问题，在保证接收端可以成功执行连续串行干扰消除(SIC)技术的前提下，推导出了子载波复用用户间的功率分配的闭式解，并在此基础上完成了剩余增量功率在子载波间的注水分配。本发明所提方法显著提高了系统的吞吐量性能。

Description

一种多载波NOMA系统的资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种多载波NOMA系统的资源分配方法。

背景技术

近年来，无线通信技术的不断更新换代给人类社会生活的各个方面带来了深刻的变革。同时，伴随着物联网与第五代移动通信技术的快速发展，未来无线通信技术也面临着越来越严峻的挑战。除了低时延、移动性、可靠性等指标之外，其对大容量的需求变得异常显著。

非正交多址接入(NOMA)作为一种突出的无线电技术，主要通过功率复用使发射端在同一频率域内能够同时叠加传输多个用户的信息，而具有较高的频谱效率，能够有效应对当前爆炸式增长的通信容量需求。与传统的单载波NOMA技术不同，对于多载波NOMA来说，通过进一步将频率资源划分为不同的子载波空间，同时能够最大限度地提高系统的频率资源利用率。

由于NOMA技术优越的频谱特性，其在多个方面得到了众多学者的广泛研究，关于多载波NOMA系统的资源分配问题主要涉及两大部分；其中一部分为用户调度问题，即如何合理的分配用户，使其能够与产生最好系统性能的子载波匹配。目前的匹配算法特点主要概括为两类：一是匹配性能好，但是计算复杂度较高；二则是复杂度较低的随机匹配，但此类方案所能实现的系统性能又往往不够理想。另一部分即功率分配问题，对于多载波NOMA系统而言，这一问题又可以划分为子载波间与子载波上的用户间的功率分配。常见的功率分配算法主要有平均分配以及注水分配等。此外，系统资源分配方案也常常以系统容量、能量效率、安全速率或者中断概率为优化目标。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术的不足，建立了多载波NOMA下行系统的网络模型，提出了基于最大化系统和速率的资源分配方案，同时基于双边匹配理论和注水算法，在满足用户服务质量(QoS)需求的同时，以期最大化系统的总和速率。要解决的技术问题有：

问题1：结合现有的多载波正交技术和NOMA方案，构建多载波NOMA系统的网络模型；

问题2：针对多载波NOMA系统模型，对基于最大化系统和速率的资源分配优化问题进行数学建模；

问题3：根据具体的数学优化问题，利用经典的双边匹配理论和注水法则，设计并分析联合资源分配算法，具体包括用户与子载波的匹配调度和子载波间以及子载波上复用用户间的功率分配。

本发明的目的是这样实现的：

一种多载波NOMA系统的资源分配方法，它包括：

步骤一：建立下行传输链路的多载波NOMA系统模型；

步骤二：获取所述多载波NOAM系统模型的系统参数，构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量，目标函数以及约束条件的数学表达式；

步骤三：将非凸的目标问题转化为更易解决的凸子问题，基于双边匹配理论与注水算法，提出多载波NOMA系统中最大化系统和速率的联合资源分配算法。

本发明的有益效果：

本发明提供的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，建立了多载波NOMA系统的网络模型，构建了基于最大化系统和速率的资源分配方案的数学优化问题，结合双边匹配理论和注水算法对该联合资源优化方案进行了分析与验证，实现了在满足用户QoS的同时，最大化系统的和速率。另外，在相同的约束条件下，对比部分已有的相关算法，所提方案使得多载波NOMA系统能够实现更优的吞吐量性能。

附图说明

图1是本发明实施例一种多载波NOMA系统的资源分配方法的流程结构示意图；

图2是本发明实施例多载波NOMA系统的网络模型的结构示意图；

图3是本发明实施例的用户调度方案与其它方案的系统和速率对比图；

图4是本发明实施例基于双边匹配原理的资源分配算法流程图；

图5是本发明实施例的用户调度方案与其它方案的匹配轮询次数对比图；

图6是本发明实施例的联合资源分配方案与其它方案的系统和速率对比图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。以下实施例仅用来更加清楚的阐释本发明的技术方案，而不是作为限制本发明的保护范围。

实施例1：

图1示出了本实例提供的一种多载波NOMA系统的资源分配方法的流程示意图，包括以下步骤：

步骤一：建立多载波NOMA系统的网络模型：将传统的多载波正交技术与NOMA系统相结合，系统模型如图2所示；具体包括以下内容：

多载波NOMA系统由一个基站和N个随机分布在蜂窝网络内的用户组成；总的系统带宽为B，且其被均匀地划分为M个带宽为B_sc＝B/M的正交子载波，即各个子载波上的复用用户间的消息传递过程互不干扰；所有子载波的索引集合可以表示为

k_m表示复用在第m个子载波上的用户数，且

进一步地，用UE_l,m表示复用在第m个子载波上的第l个用户，l＝1,2,…,k_m，假设其分配得到的功率为p_l,m，则该用户通过第m个子载波能够接收到的信号为：

其中，h_l,m表示UE_l,m与基站之间的信道系数；s_l,m或者s_i,m表示基站通过子载波m传递给第l个或者第i个用户的单位能量符号；

表示子载波m上的加性高斯白噪声，且σ²＝N₀B_sc，N₀为噪声功率谱密度；此处将用户的信道系数进行噪声归一化处理，得到H_l,m＝|h_l,m|²/σ²,可称其为等效信道增益。

在接收端，通过采用串行干扰消除(SIC)技术进行多用户信号的区别与检测，以提高系统的译码性能。即在NOMA下行链路系统中，每个用户在解码过程中首先检测信道质量弱于自身的用户信号，并将其从接收到的叠加信号中移除，同时将信道质量强于它的用户信号视作干扰。对复用在子载波m上的k_m个用户按照信道质量降序排列，得到

基于SIC技术及以上的解码规则，UE_l,m的信干噪比(SINR)可以表示为：

因此，UE_l,m的瞬时可达速率可依据香农公式计算为：

步骤二:构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量、目标函数以及约束条件的数学表达式；具体包括以下内容：

所述数学优化问题的目标函数为系统中所有用户的可达和速率，表示为：

所述问题的主要优化目标包括：

①用户与载波的匹配情况；

②系统的功率分配情况；

所述数学问题的约束条件包括:

①系统的总发射功率约束：

②每个用户的最低发射功率限制：p_l,m≥0,

③每个用户的最低QoS需求：

综上，基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题能够描述为：

步骤三：基于双边匹配理论与注水算法，建立多载波NOMA系统中最大化系统和速率的资源分配算法；具体包括以下内容：

设定多载波NOMA系统的系统参数、优化变量的取值范围以及约束条件；

为了降低接收端的解码复杂度，本发明针对每个子载波仅复用两用户的情况，这是具有广泛参考意义的。

将系统中所有用户按照其大尺度衰落增益进行降序排列,依据排列顺序从中间将用户分为两个新的用户集合，分别为集合

和集合

其中

表示信道质量较好的用户集合，而

则表示信道质量相对较差的用户集合；

所述当N为偶数时，为了保证配对用户间存在一定的信道质量间隔差异，此时将集合

和

中的用户依序进行两两配对成组，可得到N/2组用户对集合。

所述当N为奇数时，则排序后的第N/2+1个用户单独成组，即可采用传统的OFDMA方式接入系统；

对于任意i＝1,2,…,N/2，第i组配对用户集合可以表示为UP_i＝{U_i,U_i+N/2}；

进一步地，考虑最大化信道增益差原则，对每一组配对用户在不同子载波上得到的信道增益差进行降序排列，可得到该组配对用户的子载波优先级列表；更进一步地，以两组用户对和4个子载波为例，假设两组用户对在不同子载波上产生的信道增益差矩阵如下所示：

由(6)可以得出UP₁的子载波优先级列表为：

PL_SC(UP₁)＝[SC₃,SC₁,SC₂] (7)

同样的，UP₂的子载波优先级列表为：

PL_SC(UP₂)＝[SC₂,SC₃,SC₁] (8)

进一步地，双边匹配理论的具体定义可阐述为：

考虑所有的配对用户与子载波为两个不相邻的集合

和

则一对一的双边匹配过程Φ可表示为用户对集合

到子载波集合

的映射，且满足

和

及以下条件：

①

每对用户都能匹配到一个子载波；

②|Φ(UP_i)|＝1,|Φ^-1(SC_m)|＝1：每个子载波上仅能复用一对用户；

③

子载波和用户对相互匹配成功：

更进一步地，具体的双边匹配流程如图3所示，可描述如下：

首先得到配对用户集合{UP},以及对应的子载波优先级列表PF_SC(UP_i)，定义未与子载波匹配的配对用户集合为{UP_unmatch}，子载波的匹配状态集合为{SC_match(m)},

如果|SC_match(m)|＝0，则表示该子载波暂未与配对用户匹配；否则，|SC_match(m)|＝1，表示该子载波已暂时匹配到一组用户对。初始t＝0，在每一轮匹配后t值加1，用来记录所有用户与子载波完成匹配时需要进行的轮询次数。

在每一轮匹配中，{UP_unmatch}中的配对用户根据其子载波优先级列表向优先级最高的子载波发出匹配请求，如果该子载波上未匹配用户，则直接接受该匹配请求。否则，产生匹配‘冲突’问题，此时，子载波选择与能够使系统和速率取得更大值且请求匹配的一组用户对暂时匹配，并拒绝另一组用户对，被拒绝的这组用户对被重新添加到{UP_unmatch}中，并将拒绝它的子载波从其子载波优先级列表中删除。当剩余未匹配的用户对数量为0时，匹配过程结束。此时所有用户和子载波实现稳定匹配。

关于功率分配算法，主要分为子载波间及子载波上复用用户间的功率分配问题。所述的两部分功率分配算法具体可描述为：首先在保证接收端能够成功执行SIC的条件下，推导出任意子载波上复用用户间功率分配方案的闭式解。另外，在满足所有用户QoS限制下的最小数据速率之外，为了提高系统的和速率，应将尽可能多的功率分配给系统中的强用户。基于传统的注水算法，考虑每个子载波上强用户产生速率增量的能力，将满足用户QoS约束所需功率之外的所有剩余功率在各子载波上的强用户间进行注水分配。

图4给出了不同系统用户数量下，采用相同功率分配方案时，基于本实施例的用户与载波匹配方案、基于Fang等的文献和基于传统OFDMA方案产生的系统和速率对比图。由图中可以看出，基于本实施例的两步式双边匹配方法产生的和速率明显优于其他对比方案。

图5给出了不同系统用户数量下，基于本实施例的和基于Fang等的文献中的用户与子载波匹配方法所需的轮询次数对比图；由图中可以看出，与Fang等人的文献中的方案相比，本实施例的两步式双边匹配方案通过将用户进行预分组，使得原用户与子载波的二对一双边匹配转变为了一对一的双边匹配，使得能够在需要较少的轮询次数下，较快地完成用户与子载波的稳定匹配。

图6给出了不同发射功率下，本实施例给出的联合资源分配方法和其他方案的系统和速率对比图；由图中可以看出，基于本实施例的联合资源分配方法能够达到的和速率性能优于其他对比方案。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改，等同替换和改进等，均应该包括在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，包括：

步骤一:建立下行传输链路的多载波NOMA系统模型；

步骤二:获取所述多载波NOMA系统模型的系统参数，构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量，目标函数以及约束条件的数学表达式；

步骤三：将目标问题拆分并转化成两个凸子问题，基于双边匹配理论与注水算法，提出多载波NOMA系统中最大化和速率的联合资源分配算法。

2.根据权利要求1所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下内容：

下行多载波NOMA系统由一个单天线基站和N个随机分布在蜂窝网络中的单天线用户组成；总的系统带宽为B，且其被等分为M个带宽为B_sc＝B/M的正交子载波，即任意两个子载波之间的用户消息传递都不存在干扰，所有子载波的集合可以表示为

在发送端，根据NOMA技术的信号叠加原则，在相同的子载波资源块上，基站可将多个用户的信号进行叠加发送；k_m表示复用在第m个子载波上的用户数，且

令UE_l,m表示第m个子载波上复用的第l个用户，且p_l,m和s_l,m分别为UE_l,m所分配到的发射功率和待发送信号；则基站通过子载波m传输的叠加信号可以表示为：

同样的，在接收端，UE_l,m处的接收信号为：

其中，h_l,m＝g_l,m·PL^-1(d)表示基站到UE_l,m的信道系数,g_l,m为经历的瑞利衰落,PL(d)是由UE_l,m与基站的距离d产生的路径损耗；z_m为子载波上的加性高斯白噪声，

且σ²＝N₀B_sc，N₀为噪声功率谱密度；此处将用户的信道系数进行噪声归一化处理，即H_l,m＝|h_l,m|²/σ²,可称其为等效信道增益；

在接收端，复用在子载波m上的k_m个用户通过串行干扰消除(SIC)技术进行信号的检测和分离，以消除用户间的信号干扰，即信道质量好的用户通过执行SIC以消除信道质量比他差的用户带来的干扰，而信道质量差的用户则直接把强于他的用户的信号视作干扰，直接解调出自身信号；

因此，在接收端执行SIC后，UE_l,m的信干噪比(SINR)可以表示为：

根据香农公式，UE_l,m的可达速率可计算为：

则子载波m的可达和速率为：

3.根据权利要求1所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于所述步骤二具体包括以下内容：

所述数学优化问题的目标函数为系统中所有用户可达到的和速率，表示为：

所述问题的主要优化目标包括：

①用户与子载波的匹配情况；

②用户的功率分配情况；

所述数学问题的约束条件包括:

①系统的总发射功率约束：

②每个用户的最低发射功率限制：

③每个用户的最低服务质量要求：

基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题能够描述为：

4.根据权利要求1中所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤三具体包括以下内容：

由于得到的数学模型(7)是非凸的，很难在多项式时间内求解出最佳方案，将其分解成用户与子载波的双边匹配与系统功率的注水分配问题分别求解；

将系统中的用户与子载波全部编号完毕；

为了简化接收端进行解码的复杂度以及提高译码准确度，本发明方法默认每个子载波上仅可以同时复用两个用户的信息，即

随机产生一定数量的用户作为待匹配的用户集合，并根据提出的规则首先对用户进行两两分组，如果用户数量为奇数，则有一个用户须单独成组；

联合给出的增量功率注水分配算法，计算子载波间以及各个子载波上复用用户组的分配功率；以最大化系统和速率为目标，重复进行子载波与用户的双向匹配选择过程，直到待分配用户集合为空；

用户与子载波的双向匹配完成，同时记录下匹配过程所需的轮询次数。

5.对于权利要求1或4所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，所述关于用户与子载波的双向匹配过程；具体而言，首先将均匀分布在蜂窝网络中的所有用户根据其信道质量降序排列，并将排序后的用户按照“顺序折半”匹配法则两两分配成组；然后采用两步式双边匹配算法，具体即：依据复用用户间最大信道增益差原则，为每一个用户组选择能够产生最大信道增益差值的子载波，同时子载波基于最大化和速率需求，选择接受或者拒绝请求匹配的用户组。

6.对于权利要求1或4所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，所述的增量功率注水算法；具体而言，对任一子载波上复用的两用户，按照其等效信道增益可分为强用户和弱用户；在保证接收端能够成功执行SIC以及满足强弱用户服务质量约束的最小数据速率时，推导得出各用户分配功率的闭式解；在此基础上，将满足弱用户最小服务速率所需功率外的所有剩余功率，分配给强用户以用来产生更大速率增量，将这部分功率称为增量功率，并在各子载波间依据注水原则对其进行分配。