CN114025385B - 一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法 - Google Patents

一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，包括如下步骤：S1、基站集中收集网络中的NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系；S2、各个虚拟网络切片收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户相关参数；S3、根据步骤S2收集的参数，作出不同的处理；S4、若S3更新了虚拟网络切片的NOMA簇最优干扰门限值，各个虚拟网络切片计算分配给用户的功率分配值。本发明在保证各个虚拟网络切片干扰隔离以及各个用户最低数据传输速率的前提下最大化系统的吞吐量从而实现对多用户多虚拟网络切片场景半分布式的干扰管理，降低了算法的信令交互数量和计算复杂度，提高了算法的执行效率。

Description

一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰 管理方法
技术领域
本发明涉及干扰管理技术领域，尤其是一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法。
背景技术
在无线虚拟网络中，如何通过功率控制高效地实现虚拟网络切片间的隔离是无线虚拟网络通信研究的重点内容之一。在采用非正交多址接入技术的虚拟网络场景中，大量用户采用两两配对的原则进行NOMA分簇。但是，每个虚拟网络拥有不同的同频干扰门限值，同时基于非正交多址接入技术可变的用户分簇也使得虚拟网络的干扰管理成为了面向非正交多址接入机制的虚拟无线网络中的热点和难点。现有的虚拟网络切片隔离控制方法大部分是以虚拟网络切片传输速率为性能指标进行的功率控制，未考虑面向非正交多址接入机制下的簇内干扰对虚拟网络切片隔离带来的影响，同时采用的是集中式的算法框架造成算法随系统中用户和虚拟网络切片的数量的增加而激增，因此在基于非正交多址接入机制下的系统中不能得到有效的应用。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于，提供一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，在保证各个虚拟网络切片干扰隔离以及各个用户最低数据传输速率的前提下最大化系统的吞吐量从而实现对多用户多虚拟网络切片场景半分布式的干扰管理，降低了算法的信令交互数量和计算复杂度，提高了算法的执行效率。
为解决上述技术问题，本发明提供一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，包括如下步骤：
S1、基站集中收集网络中的NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系；
S2、各个虚拟网络切片收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案、属于该切片的NOMA簇中的每个用户应用所需最低数据传输速率、基站到属于该切片的每个用户的信道增益值和基站分配给每个NOMA簇的平均总功率值，弱用户为在NOMA簇中拥有信道增益较低的用户；
S3、根据步骤S2收集的参数，若在步骤S1中有NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变，则各个虚拟网络切片计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若在步骤S1中NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变，则各个虚拟网络切片自行查看切片内部参数是否改变，若改变则计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若没有改变，则该虚拟网络切片干扰管理算法执行结束；
S4、若S3更新了虚拟网络切片的NOMA簇最优干扰门限值，各个虚拟网络切片计算分配给用户的功率分配值。
优选的，步骤S3中，虚拟网络切片干扰门限值Qs的取值范围
Figure BDA0003342540020000021
Figure BDA0003342540020000022
其中，/>
Figure BDA0003342540020000023
|hi,1|2和|hi,2|2为基站到第i个NOMA簇的弱用户和强用户的信道增益，有|hi,1|2<|hi,2|2；/>
Figure BDA0003342540020000024
和/>
Figure BDA0003342540020000025
为第i个NOMA簇中弱用户和强用户的最低数据传输速率需求，且该弱用户的应用属于虚拟网络切片s；σ2为接收机处噪声；/>
Figure BDA0003342540020000026
为系统分配给每个NOMA簇的平均功率；/>
Figure BDA0003342540020000027
表示虚拟网络切片s所属的用户作为弱用户存在的NOMA簇的集合。
优选的，步骤S4中，通过迭代算法计算属于虚拟网络切片s的NOMA簇i的最优干扰门限值
Figure BDA0003342540020000028
其中τs为拉格朗日乘子；随后给出每个用户的功率值/>
Figure BDA0003342540020000029
和/>
Figure BDA00033425400200000210
优选的，在非正交多址接入机制和虚拟无线网络切片联合的多用户和多虚拟网络切片场景下的一种在每个虚拟网络切片内部进行计算的半分布式的干扰管理算法，即各个虚拟网络仅收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案和相应用户的信道增益及最低数据传输速率参数，并在各个虚拟网络切片中对各个虚拟网络的干扰进行管理，最后将优化的功率值分配到各个相关用户用于干扰的管理。
优选的，在NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变时，网络中所有的虚拟切片在各自的内部进行干扰管理，且各个虚拟网络切片的干扰管理算法可以并行计算；当NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变时，各个虚拟网络切片以各自内部参数是否改变为准则可以独自决定是否进行本切片的干扰管理计算。
本发明的有益效果为：本发明在基站处采用半分布式的算法架构对面向非正交多址接入机制的虚拟网络进行干扰隔离，可以提高算法的执行效率以及降信令交互和算法的复杂度；结合了非正交多址接入技术和虚拟网络切片技术的特点，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为本发明的方法流程示意图。
具体实施方式
一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，包括如下步骤：
S1、基站集中收集网络中的NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系；
S2、各个虚拟网络切片收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案、属于该切片的NOMA簇中的每个用户应用所需最低数据传输速率、基站到属于该切片的每个用户的信道增益值和基站分配给每个NOMA簇的平均总功率值，弱用户为在NOMA簇中拥有信道增益较低的用户；
S3、根据步骤S2收集的参数，若在步骤S1中有NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变，则各个虚拟网络切片计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若在步骤S1中NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变，则各个虚拟网络切片自行查看切片内部参数是否改变，若改变则计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若没有改变，则该虚拟网络切片干扰管理算法执行结束；
S4、若S3更新了虚拟网络切片的NOMA簇最优干扰门限值，各个虚拟网络切片计算分配给用户的功率分配值。
步骤S3中，虚拟网络切片干扰门限值Qs的取值范围
Figure BDA0003342540020000031
其中，/>
Figure BDA0003342540020000032
Figure BDA0003342540020000033
|hi,1|2和|hi,2|2为基站到第i个NOMA簇的弱用户和强用户的信道增益，有|hi,1|2<|hi,2|2；/>
Figure BDA0003342540020000034
和/>
Figure BDA0003342540020000035
为第i个NOMA簇中弱用户和强用户的最低数据传输速率需求，且该弱用户的应用属于虚拟网络切片s；σ2为接收机处噪声；/>
Figure BDA0003342540020000036
为系统分配给每个NOMA簇的平均功率；/>
Figure BDA0003342540020000037
表示虚拟网络切片s所属的用户作为弱用户存在的NOMA簇的集合。
通过迭代算法计算属于虚拟网络切片s的NOMA簇i的最优干扰门限值
Figure BDA0003342540020000041
Figure BDA0003342540020000042
其中τs为拉格朗日乘子；随后给出每个用户的功率值/>
Figure BDA0003342540020000043
和/>
Figure BDA0003342540020000044
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的无线虚拟网络中共有2M个用户和S个虚拟网络切片。记
Figure BDA0003342540020000045
和/>
Figure BDA0003342540020000046
分别表示属于虚拟网络切片s的NOMA簇i中用户1和用户2最小传输速率需求，其中虚拟网络切片s的NOMA簇的集合，即/>
Figure BDA0003342540020000047
定义为NOMA簇中的信道增益较弱的用户属于虚拟网络切片s的簇集合。|hi,1|2和|hi,2|2分别为基站到NOMA簇i中用户1和用户2的信道增益，其中有|hi,1|2<|hi,2|2。
在本发明中，基站保障所有用户最低数据传输速率的需求。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数据传输速率值，即
Figure BDA0003342540020000048
Figure BDA0003342540020000049
其中，ps,i,1和ps,i,2为分别为在属于虚拟网络切片s的NOMA簇i中用户1和用户2的功率值，
Figure BDA00033425400200000412
为虚拟网络切片集合。
同时，在本发明中，采用干扰值对各个虚拟网络间进行有效隔离，因此针对虚拟网络切片s，其所受到的NOMA簇内总干扰值应小于其干扰门限值，有
Figure BDA00033425400200000410
其中，Qs为虚拟网络切片s的干扰门限值。
又由于基站下行功率受限，有
Figure BDA00033425400200000411
其中，pmax为基站下行总功率。
对于整个网络，本发明的目标是最大化吞吐量，同时满足上述约束，即
Figure BDA0003342540020000051
s.t.
Figure BDA0003342540020000052
Figure BDA0003342540020000053
Figure BDA0003342540020000054
Figure BDA0003342540020000055
令两个辅助变量Qs,i和
Figure BDA0003342540020000056
分别表示属于虚拟网络切片s的NOMA簇i的干扰门限值和其传输功率值，因此有Qs,i≥ps,i,2|hi,1|2和/>
Figure BDA0003342540020000057
基于上述变量，原优化问题可以分解为M个子优化问题，为
Figure BDA0003342540020000058
s.t.ps,i,2|hi,1|2≤Qs,i
Figure BDA0003342540020000059
Figure BDA00033425400200000510
然后，基站根据网络中相关参数通过最优化理论求得保证上述约束的最佳功率分配的前提条件为
Figure BDA00033425400200000511
和/>
Figure BDA00033425400200000512
且解向量为
Figure BDA00033425400200000513
和
Figure BDA00033425400200000514
随后，原优化问题可以转化为关于变量
Figure BDA00033425400200000515
和Qs,i的优化问题如下
Figure BDA00033425400200000516
s.t.
Figure BDA00033425400200000517
Figure BDA0003342540020000061
Figure BDA0003342540020000062
Figure BDA0003342540020000063
由于
Figure BDA0003342540020000064
其中/>
Figure BDA0003342540020000065
因此，上述优化问题可以转变为
Figure BDA0003342540020000066
s.t.
Figure BDA0003342540020000067
Figure BDA0003342540020000068
然后，基站根据网络中相关参数通过最优化理论求得保证上述约束的最佳功率分配的前提条件为
Figure BDA0003342540020000069
且解向量为
Figure BDA00033425400200000610
其中，拉格朗日乘子τs可由
Figure BDA00033425400200000611
给出。
进而，有
Figure BDA00033425400200000612
和
Figure BDA00033425400200000613
本发明是在非正交多址接入机制和虚拟无线网络切片联合的多用户和多虚拟网络切片场景下的一种在每个虚拟网络切片内部进行计算的半分布式的干扰管理算法，即各个虚拟网络仅收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案和相应用户的信道增益及最低数据传输速率参数，并在各个虚拟网络切片中对各个虚拟网络的干扰进行管理，最后将优化的功率值分配到各个相关用户用于干扰的管理。
在NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变时，网络中所有的虚拟切片在各自的内部进行干扰管理，且各个虚拟网络切片的干扰管理算法可以并行计算；当NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变时，各个虚拟网络切片以各自内部参数是否改变为准则可以独自决定是否进行本切片的干扰管理计算。

Claims (5)

1.一种面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、基站收集网络中的NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系；
S2、各个虚拟网络切片收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案、属于该切片的NOMA簇中的每个用户应用所需最低数据传输速率、基站到属于该切片的每个用户的信道增益值和基站分配给每个NOMA簇的平均总功率值，弱用户为在NOMA簇中拥有信道增益较低的用户；
S3、根据步骤S2收集的参数，若在步骤S1中有NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变，则各个虚拟网络切片均计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若在步骤S1中NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变，则各个虚拟网络切片自行查看切片内部参数是否改变，若改变则计算属于该切片且作为弱用户的NOMA簇最优干扰门限值；若没有改变，则该虚拟网络切片干扰管理算法执行结束；
S4、若S3更新了虚拟网络切片的NOMA簇最优干扰门限值，各个虚拟网络切片计算分配给用户的功率分配值。
2.如权利要求1所述的面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，其特征在于，步骤S3中，虚拟网络切片干扰门限值Qs的取值范围
Figure FDA0004240197280000011
Figure FDA0004240197280000012
其中，/>
Figure FDA0004240197280000013
|hi,1|2和|hi,2|2为基站到第i个NOMA簇的弱用户和强用户的信道增益，有|hi,1|2<|hi,2|2；/>
Figure FDA0004240197280000014
和
Figure FDA0004240197280000015
为第i个NOMA簇中弱用户和强用户的最低数据传输速率需求，且该弱用户的应用属于虚拟网络切片s；σ2为接收机处噪声；/>
Figure FDA0004240197280000016
为系统分配给每个NOMA簇的平均功率；/>
Figure FDA0004240197280000017
表示虚拟网络切片s所属的用户作为弱用户存在的NOMA簇的集合。
3.如权利要求1所述的面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，其特征在于，步骤S4中，通过迭代算法计算属于虚拟网络切片s的NOMA簇i的最优干扰门限值
Figure FDA0004240197280000018
其中3s为拉格朗日乘子；随后给出每个用户的功率值
Figure FDA0004240197280000021
和/>
Figure FDA0004240197280000022
其中，/>
Figure FDA0004240197280000023
Figure FDA0004240197280000024
|hi,1|2和|hi,2|2为基站到第i个NOMA簇的弱用户和强用户的信道增益，有|hi,1|2<|hi,2|2；σ2为接收机处噪声；/>
Figure FDA0004240197280000025
为系统分配给每个NOMA簇的平均功率。
4.如权利要求1所述的面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，其特征在于，各个虚拟网络仅收集隶属于该切片且作为弱用户的NOMA用户分簇方案和相应用户的信道增益及最低数据传输速率参数，并在各个虚拟网络切片中对各个虚拟网络的干扰进行管理，最后将优化的功率值分配到各个相关用户用于干扰的管理。
5.如权利要求2所述的面向非正交多址接入机制的半分布式虚拟无线网络干扰管理方法，其特征在于，在NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系发生改变时，网络中所有的虚拟切片在各自的内部进行干扰管理，且各个虚拟网络切片的干扰管理算法可以并行计算；当NOMA分簇方案和虚拟网络切片与用户间的从属关系没有发生改变时，各个虚拟网络切片以各自内部参数是否改变为准则可以独自决定是否进行本切片的干扰管理计算。
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