CN112929971A - 一种基于下行noma系统的用户公平的功率分配方法 - Google Patents

一种基于下行noma系统的用户公平的功率分配方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法。本发明根据用户位置把同一小区中的JK个用户分为K个用户簇，每个用户簇中包含J个用户；为每个用户簇分配子信道，每个用户簇的子信道之间相互正交；根据每个用户簇的用户总的信道增益进行线性注水算法计算出每个用户簇的功率；在确定了每个用户簇的功率后进行簇内用户的功率分配：首先保证簇内用户在相同信道条件下在OMA方式中最小传输速率，然后将剩余功率平均分配给每个用户，公平的提高用户的数据传输速率。本发明能够在保证用户在相同信道条件下采用OMA方式时的速率的情况下，公平的提高每个用户的传输速率，保证了用户公平性。

Description

一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法
技术领域
本发明涉及NOMA系统领域，具体来说是NOMA系统中一种保证用户公平性的用户功率分配方法。
背景技术
目前，学术界已经研究出了许多提升NOMA系统用户吞吐量的方法，这些方法要么只考虑提高单用户吞吐量的最大化，忽略了系统整体的吞吐量的提升，要么是系统性能最佳，但复杂度过高，要么旨在最大化多用户的总吞吐量，没有考虑用户的公平性，很有可能给信道增益差的用户分配较小的功率。
发明内容
针对上述问题，本发明提供了一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法。
本发明包括以下步骤：
步骤1：将小区中的J×K个用户分为J个簇，其中每个簇包含K个用户，用uj,k表示子信道j，也即第j个用户簇中的第k个用户，其中j＝1,2,…,J，k＝1,2,…,K，小区基站到uj,k用户的信道增益为hj,k，满足条件|hj,1|2≤|hj,2|2≤…≤|hj,K|2，每个用户簇内的用户共享同一个子信道，不同的子信道之间相互正交。
步骤2：假定基站总发射功率为Ptot，系统总带宽为Wtot，总带宽平均分配给每个子信道，即每个子信道的带宽为
Figure BDA0002909485700000011
确定各子信道之间的功率关系。
本步骤可分为以下子步骤：
1)将子带间的功率分配问题可以表示为
Figure BDA0002909485700000012
限制条件为
Figure BDA0002909485700000013
Rj≥Rmin
其中pj为子信道j的总功率，hj为子信道j的信道增益，Nj为子信道j的噪声功率，Rj、Rmin分别表示子信道j的传输速率和所有子信道中的最小传输速率(下同)。
由此构造拉格朗日函数
Figure BDA0002909485700000021
其中λ、μ为拉格朗日乘子。
2)将公式(2)两边分别对pj求偏导，可得
Figure BDA0002909485700000022
令上式等于0可得
Figure BDA0002909485700000023
3)由公式(4)可以看出等式左边是一个常数，所以对于不同的用户簇来说公式(4)都成立，由此可以得出不同的用户簇之间的功率关系为
Figure BDA0002909485700000024
其中m,n∈{1,2,…,J}，Nm、Nn表示子信道m、n的噪声功率，hm、hn表示子信道m、n的信道增益。由公式(5)可将子信道n的功率pn用子信道m的功率pm表示为
Figure BDA0002909485700000025
从公式(6)可以看出，当确定了某一子信道的功率后就可以求出其他子信道的功率。
步骤3：由于各子信道功率之和不得大于基站发射总功率，因此有
Figure BDA0002909485700000026
由此可求出各子信道的最大功率。将子信道的信道状态值按升序排列，可得各子信道的功率关系为p1≤p2≤…≤pJ。
步骤4：给子信道分配功率，从子信道1开始分配：根据公式(7)可得
Figure BDA0002909485700000027
步骤5：若p1≤0，则将该信道的功率置为0，然后给下一个子信道分配功率
Figure BDA0002909485700000028
直到找到pm>0，然后根据公式(5)求出剩余子信道的功率，最终完成子信道之间的功率分配。
步骤6：至此簇间功率分配完毕，接下来在已知每个簇的功率的情况下对簇内每个用户的功率进行分配。
首先保证用户达到最小数据速率，在同样条件下的OMA信道下用户所能达到的数据速率为
Figure BDA0002909485700000031
其中hj,k、Nj,k分别表示子信道j上用户k的信道增益和噪声功率。
此时第j个簇内的满足所有用户的最小数据速率所需的最小功率之和为
Figure BDA0002909485700000032
步骤7：计算出第j个簇已分配功率与最小功率之和之差
Figure BDA0002909485700000034
若Δp>0，先为用户分配所需最小功率
Figure BDA0002909485700000036
然后将Δp平均分配给簇j内的k个用户，此时簇j内的第k个用户功率为
Figure BDA0002909485700000035
若Δp≤0，根据用户信道状态信息按比例给用户分配功率，用户k的功率为
Figure BDA0002909485700000033
至此簇内各用户的功率分配完毕。
本发明的有益效果是：
1：相对于子带间和子带内都采用线性注水算法来说，降低了复杂度，提高了可用性。
2：子带间采取线性注水算法，根据信道状况对发送功率进行自适应分配，信道条件好的用户簇分配较高功率，信道条件差的用户簇分配较少的功率，以最大化传输功率。
3：子带内的功率分配算法，能够在保证用户在相同信道条件下采用OMA方式时的速率的情况下，公平的提高每个用户的传输速率，保证了用户公平性。
附图说明
图1为本发明具体流程图。
具体实施方式
为了便于本领域普通技术人员理解和实施本发明，下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细描述，应当理解，此处所描述的实施例仅用于说明和解释本发明，但并不用于限定本发明。
由于NOMA是一种功率域复用多址技术，那么功率的分配就是一个关键问题。每个用户的功率大小不仅会影响该用户本身的吞吐量性能，也会对叠加信号中其他用户的吞吐量性能产生很大影响，进而会影响到系统的整体性能。不同的用户功率分配算法对接收端译码的准确性也会有很大影响，因为接收端采用SIC算法消除干扰时，需要把后解码的用户信号当作干扰。因此，设计合理高效的用户功率分配算法是至关重要的。
详见图1：本发明提供了一种下行NOMA系统中的用户公平的功率分配方法，步骤如下：
步骤1：将小区中的J×K个用户分为J个簇，其中每个簇包含K个用户，用uj,k表示子信道j，也即第j个用户簇中的第k个用户，其中j＝1,2,…,J，k＝1,2,…,K，小区基站到uj,k用户的信道为hj,k，满足条件|hj,1|2≤|hj,2|2≤…≤|hj,K|2，每个用户簇内的用户共享同一个子信道，不同的子信道之间相互正交。
本步骤中假设小区用户数为M＝J×K，而当用户数为M＝J×K+m时，若
Figure BDA0002909485700000041
将m个用户单独分簇，否则将其分别加入其他用户簇，功率分配方法类似，不会影响本发明的结论。
步骤2：假定基站总发射功率为Ptot，系统总带宽为Wtot，总带宽平均分配给每个子信道，即每个子信道的带宽为
Figure BDA0002909485700000042
确定各子信道之间的功率关系。
本步骤可分为以下子步骤：
1)将子带间的功率分配问题可以表示为
Figure BDA0002909485700000043
限制条件为
Figure BDA0002909485700000044
Rj≥Rmin
其中pj为子信道j的总功率，hj为子信道j的信道增益，Nj为子信道j的噪声功率，Rj、Rmin分别表示子信道j的传输速率和所有子信道中的最小传输速率(下同)。
由此构造拉格朗日函数
Figure BDA0002909485700000051
其中λ、μ为拉格朗日乘子。
2)将公式(2)两边分别对pj求偏导，可得
Figure BDA0002909485700000052
令上式等于0可得
Figure BDA0002909485700000053
3)由公式(4)可以看出等式左边是一个常数，所以对于不同的用户簇来说公式(4)都成立，由此可以得出不同的用户簇之间的功率关系为
Figure BDA0002909485700000054
其中m,n∈{1,2,…,J}，Nm、Nn表示子信道m、n的噪声功率，hm、hn表示子信道m、n的信道增益。由公式(5)可将子信道n的功率pn用子信道m的功率pm表示为
Figure BDA0002909485700000055
从公式(6)可以看出，当确定了某一子信道的功率后就可以求出其他子信道的功率。
步骤3：由于各子信道功率之和不得大于基站发射总功率，因此有
Figure BDA0002909485700000056
由此可求出各子信道的最大功率。将子信道的信道状态值按升序排列，可得各子信道的功率关系为p1≤p2≤…≤pJ。
步骤4：给子信道分配功率，从子信道1开始分配：根据公式(7)可得
Figure BDA0002909485700000057
步骤5：若p1≤0，则将该信道的功率置为0，然后给下一个子信道分配功率
Figure BDA0002909485700000061
直到找到pm>0，然后根据公式(5)求出剩余子信道的功率，最终完成子信道之间的功率分配。
步骤6：至此簇间功率分配完毕，接下来在已知每个簇的功率的情况下对簇内每个用户的功率进行分配。
首先保证用户达到最小数据速率，在同样条件下的OMA信道下用户所能达到的数据速率为
Figure BDA0002909485700000062
其中hj,k、Nj,k分别表示子信道j上用户k的信道增益和噪声功率。
此时第j个簇内的满足所有用户的最小数据速率所需的最小功率之和为
Figure BDA0002909485700000063
步骤7：计算出第j个簇已分配功率与最小功率之和之差
Figure BDA0002909485700000065
若Δp>0，先为用户分配所需最小功率
Figure BDA0002909485700000066
然后将Δp平均分配给簇j内的k个用户，此时簇j内的第k个用户功率为
Figure BDA0002909485700000067
若Δp≤0，根据用户信道状态信息按比例给用户分配功率，用户k的功率为
Figure BDA0002909485700000064
至此簇内各用户的功率分配完毕。
本发明从步骤2开始介绍用线性注水算法为子信道间分配功率，为使复杂度降低，只在子信道之间采用线性注水算法，子信道内采用复杂度低的公平性算法。
本发明根据用户位置把同一小区中的JK个用户适当的分为K个簇，每个用户簇中包含J个用户。同时为每个用户簇分配子信道，每个用户簇的子信道之间相互正交。根据每个用户簇的用户总的信道增益进行线性注水算法计算出每个簇的功率。在确定了每个用户簇的功率后进行簇内用户的功率分配，首先保证簇内用户在相同信道条件下在OMA方式中最小传输速率，然后将剩余功率平均分配给每个用户，公平的提高用户的数据传输速率。
应当理解的是，上述针对较佳实施例的描述较为详细，并不能因此而认为是对本发明专利保护范围的限制，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明权利要求所保护的范围情况下，而做出替换或变形，均落入本发明的保护范围之内，本发明的请求保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (3)

1.一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法，其特征在于：
根据用户位置把同一小区中的JK个用户分为K个用户簇，每个用户簇中包含J个用户；
为每个用户簇分配子信道，每个用户簇的子信道之间相互正交；
根据每个用户簇的用户总的信道增益进行线性注水算法计算出每个用户簇的功率；
在确定了每个用户簇的功率后进行簇内用户的功率分配：
首先保证簇内用户在相同信道条件下在OMA方式中最小传输速率，然后将剩余功率平均分配给每个用户，公平的提高用户的数据传输速率。
2.根据权利要求1所述的一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法，其特征在于：
确定每个用户簇的功率具体是：
步骤1：将小区中的J×K个用户分为J个簇，其中每个簇包含K个用户，用uj，k表示第j个用户簇中的第k个用户，其中j＝1，2，…，J，k＝1，2，…，K，小区基站到用户uj，k的信道增益为hj，k，满足条件|hj，1|2≤|hj，2|2≤…≤|hj，K|2，每个用户簇内的用户共享同一个子信道，不同的子信道之间相互正交；
步骤2：假定基站总发射功率为Ptot，系统总带宽为Wtot，总带宽平均分配给每个子信道，即每个子信道的带宽为
Figure FDA0002909485690000011
确定各子信道之间的功率关系；
1)将子带间的功率分配问题表示为：
Figure FDA0002909485690000012
限制条件为
Figure FDA0002909485690000013
Rj≥Rmin
其中pj为子信道j的总功率，hj为子信道j的信道增益，Nj为子信道j的噪声功率，Rj、Rmin分别表示子信道j的传输速率和所有子信道中的最小传输速率；
由此构造拉格朗日函数
Figure FDA0002909485690000021
其中λ、μ为拉格朗日乘子；
2)将公式(2)两边分别对pj求偏导，可得
Figure FDA0002909485690000022
令公式(3)等于0可得
Figure FDA0002909485690000023
3)公式(4)等式左边是一个常数，所以对于不同的用户簇来说公式(4)都成立，由此得出不同的用户簇之间的功率关系为：
Figure FDA0002909485690000024
其中m，n∈{1，2，…，J}，Nm、Nn表示子信道m、n的噪声功率，hm、hn表示子信道m、n的信道增益；
由公式(5)将子信道n的功率pn用子信道m的功率pm表示为
Figure FDA0002909485690000025
从公式(6)得到：当确定了某一子信道的功率后就可求出其它子信道的功率；
步骤3：由于各子信道功率之和不得大于基站发射总功率，因此有
Figure FDA0002909485690000026
由此可求出各子信道的最大功率；
将子信道的信道状态值按升序排列，可得各子信道的功率关系为p1≤p2≤…≤pJ；
步骤4：给子信道分配功率，从子信道1开始分配，根据公式(7)可得：
Figure FDA0002909485690000027
步骤5：若p1≤0，则将该信道的功率置为0，然后给下一个子信道分配功率：
Figure FDA0002909485690000028
直到找到pm＞0，然后根据公式(5)求出剩余子信道的功率，最终完成子信道之间的功率分配。
3.根据权利要求2所述的一种基于下行NOMA系统的用户公平的功率分配方法，其特征在于：簇内用户的功率分配具体是：
步骤6：首先保证用户达到最小数据速率，在同样条件下的OMA信道下用户所能达到的数据速率为
Figure FDA0002909485690000031
其中hj，k、Nj，k分别表示子信道j上用户k的信道增益和噪声功率；
第j个簇内的满足所有用户的最小数据速率所需的最小功率之和为
Figure FDA0002909485690000032
步骤7：计算出第j个簇已分配功率与最小功率之和之差
Figure FDA0002909485690000033
若Δp＞0，先为用户分配所需最小功率
Figure FDA0002909485690000034
然后将Δp平均分配给簇j内的k个用户，此时簇j内的第k个用户功率为
Figure FDA0002909485690000035
若Δp≤0，根据用户信道状态信息按比例给用户分配功率，簇j内的第k个用户功率为
Figure FDA0002909485690000036
至此簇内各用户的功率分配完毕。
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