本發(fā)明屬于移動通信
技術(shù)領(lǐng)域：
，涉及一種基于非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess,NOMA)系統(tǒng)的功率分配方法。
背景技術(shù)：
：高速增長的無線應(yīng)用促使了第五代移動通信系統(tǒng)的研究熱潮。IMT-2020(5G)推進(jìn)組在《5G愿景與需求白皮書》中提出5G對未來無線網(wǎng)絡(luò)更高要求，即用戶體驗速率要達(dá)到0.1-1Gbps，設(shè)備連接承受能力要達(dá)到106/km2，頻譜效率要比4G提升5～15倍。為了滿足人們?nèi)找嬖鲩L的移動業(yè)務(wù)需求，迫切需要改進(jìn)現(xiàn)有的多址接入技術(shù)。在這種背景下Saito等人提出了非正交多址接入技術(shù)(non-orthogonalmultipleaccess，NOMA)。NOMA的基本原理是在發(fā)送端先對各個用戶信號獨(dú)立進(jìn)行編碼調(diào)制，在對各個用戶信號分配不同的功率后進(jìn)行線性疊加，疊加后的信號還可以采用正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM)技術(shù)來進(jìn)行傳輸；接收端通過串行干擾消除檢測技術(shù)完成用戶信號的接收。NOMA是一種基于功率域復(fù)用的多址技術(shù)，各用戶通過信號功率的不同來進(jìn)行區(qū)分，從而可以將時域、頻域等資源提供給多個用戶共享，以提高系統(tǒng)的頻譜效率、系統(tǒng)容量。目前，NOMA系統(tǒng)功率分配問題的研究已經(jīng)有了初步成果。NOMA首次將功率域由單用戶獨(dú)占改為由多用戶共享，使功率分配變得更加復(fù)雜。BenjebbourA和LiA等人提出了一種在總功率約束下最大化系統(tǒng)吞吐量的功率分配方法。該方法先將功率平均分配給每個子信道，然后在單個子信道上采用分?jǐn)?shù)階功率分配方法進(jìn)行功率再分配。這種方法雖然計算復(fù)雜度低，但是功率分配效率很差。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明旨在解決以上現(xiàn)有技術(shù)的問題。提出了一種檢測方法。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種非正交多址接入功率分配方法，其包括以下步驟：步驟1、基站首先通過公共控制信道獲取向小區(qū)內(nèi)發(fā)送信息的用戶集；步驟2、基站端估計用戶集的信道狀態(tài)信息CSI，獲得當(dāng)前各用戶不同信道狀態(tài)情況；步驟3、對于每個子信道，窮舉出所有用戶組合并給該用戶組合初次分配功率，并計算出各用戶組合的吞吐量，找到最大吞吐量的用戶組合，將最大吞吐量的用戶組合作為該子信道的疊加用戶集；其中用戶組合初次分配功率先將總功率Ptot平均分配給N個子信道，然后在單個子信道上采用分?jǐn)?shù)階或固定功率分配方式對用戶進(jìn)行功率再分配；步驟4、基站給各子信道上的疊加用戶集(采用注水原理)進(jìn)行功率分配。進(jìn)一步的，所述步驟3在單個子信道上采用分?jǐn)?shù)階或固定功率分配方式得到各疊加用戶的功率，即給信道條件較好的用戶分配αfpaPtot/N，給信道條件較差的用戶分配(1-αfpa)Ptot/N，其中αfpa為各疊加用戶的功率比，其中0<αfpa<0.5，假設(shè)對所有子信道來說αfpa都為常數(shù)。進(jìn)一步的，所述步驟4基站給各子信道上的疊加用戶集進(jìn)行功率分配包括步驟：a)找出各子信道的注水等效信道增益，第n個子信道的注水等效信道增益為h′n；b)初始化關(guān)鍵參數(shù)，其中包括初始注水水位α，實(shí)際參與本次注水的子信道集合Son、子信道數(shù)Non和調(diào)整步長μ，初始注水水位按下式求得：α=1N(Ptot+Σn=1N1Hn)---(a.1)]]>其中B表示總帶寬，N0表示加性高斯白噪聲的功率譜密度，Ptot為基站發(fā)射功率，N為子信道個數(shù)；Hn表示子信道信噪比。c)得到本次實(shí)際分配中所有子信道功率pn，若某一子信道的功率pn<0，將其置為零，且把該子信道從剩余的迭代過程中剔除，子信道的復(fù)用功率按下式求得：pn＝1/α-1/Hn(a.2)d)如果c)中所有子信道的功率pn都非負(fù)，則轉(zhuǎn)至e)；否則，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位α更新為：α←α+μ1Non(Ptot-Σn=1Npn)---(a.3)]]>e)進(jìn)行各子信道上疊加用戶間功率再分配，得到各疊加用戶的功率，第n個子信道上用戶i的功率按下式分配：pi,n=hi,n-2αftpapnΣj∈Ωnhj,n-2αftpa---(a.4)]]>其中Ωn表示第n個子信道上疊加用戶集合，αftpa(0≤αftpa≤1)為分?jǐn)?shù)階功率分配方式的功率衰減因子。進(jìn)一步的，當(dāng)采用固定功率分配方式時第n個子信道上用戶i和用戶j的功率關(guān)系表示為：pi,n＝αfixpj,n(a.5)，其中i∈Ωn,j∈Ωn。進(jìn)一步的，所述步驟c)中最優(yōu)的子信道功率pn是通過拉格朗日算法，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)并求導(dǎo)求得。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：本發(fā)明方法基于整個信道資源被預(yù)先分給了K個用戶前提下，首先對所有子信道進(jìn)行注水，得到各個子信道的復(fù)用功率；然后在單個子信道上采用分?jǐn)?shù)階或固定功率分配方式進(jìn)行功率再分配，得到各疊加用戶的發(fā)送功率。本發(fā)明主要創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在子信道間功率分配上。在子信道間功率分配過程中，本發(fā)明每次迭代需要執(zhí)行2N次加法和N+2次乘法，其運(yùn)算量為O(N)，整個子信道間功率分配的運(yùn)算量為O(kN)，其中N為每次注水的子信道個數(shù)，k為迭代次數(shù)。該方法在增加少量計算復(fù)雜度的前提下，相比Benjebbour功率分配方法提高了大約7％的系統(tǒng)總吞吐量。附圖說明圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例NOMA系統(tǒng)下行鏈路模型；圖2是用戶接收機(jī)的SIC檢測處理流程；圖3是用戶組合選擇和功率分配流程圖；圖4是本專利方法系統(tǒng)吞吐量分析。具體實(shí)施方式下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、詳細(xì)地描述。所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：圖1為NOMA系統(tǒng)下行鏈路模型。假設(shè)小區(qū)中用戶數(shù)為Kfαpa，子信道數(shù)為N，總帶寬為B，總發(fā)射功率為Ptot，第n個子信道上疊加的用戶數(shù)為kn，基站和接收端天線數(shù)都為1。在發(fā)送端，子信道n上的疊加信號sn可表示為:sn=Σi=1knpi,nxi,n---(1)]]>其中,xi,n表示在子信道n上第i個用戶的發(fā)送信號，pi,n代表第i個用戶在子信道n上分配的功率。在接收端，用戶UEk在子信道n上的接收信號為：yk,n=hk,nsn+wk,n=pk,nhk,nxk,n+Σi=1,i≠kknpi,nhk,nxi,n+wk,n---(2)]]>其中，hk,n和wk,n分別表示子信道n上基站到接收端k的信道增益和噪聲，假設(shè)噪聲的均值為零，方差為從等式(2)可以得知，接收端除了包含自身有用的信號外，還包含其他用戶的干擾信號。UE接收機(jī)采用串行干擾消除技術(shù)(successiveinterferencecancellation，SIC)進(jìn)行檢測。當(dāng)其他用戶解碼之后，便可以將對本用戶的干擾消除，本用戶便可以正確解碼。不同UE接收機(jī)的檢測過程有所不同，對所有UE接收機(jī)而言，正常解碼順序為載波干擾噪聲比(CINR)升序。假設(shè)在第n個子信道上功率域疊加用戶根據(jù)載波干擾噪聲比從大到小排序為：其中UEm接收機(jī)進(jìn)行SIC檢測處理時，其依次消除疊加用戶信號的影響，之后將用戶UE1,UE2,…,UEm-1信號都當(dāng)成干擾處理。圖2表示UEm接收機(jī)的SIC檢測處理流程。經(jīng)過SIC檢測處理后，用戶UEm在第n個子信道上的吞吐量為：Rm,n=BNlog2(1+pm,nΓm,n1+Σi=1m-1pi,nΓm,n)---(3)]]>進(jìn)一步，假設(shè)整個信道資源被預(yù)先分給了K個用戶，則使得NOMA系統(tǒng)總的吞吐量最大化的功率分配優(yōu)化模型如下:maxpk,nΣn=1NΣk∈ΩnRk,n---(4)]]>s.t.pk,n≥0;∀k,n---(5)]]>Σn=1NΣk∈Ωnpk,n≤Ptot---(6)]]>其中Ωn表示子信道n上疊加的用戶集合。式(5)代表復(fù)用到第n個子信道上的用戶功率不小于0。式(6)表示所有子信道上用戶的功率總和不大于Ptot。由于NOMA系統(tǒng)在發(fā)送端采用功率復(fù)用技術(shù)，當(dāng)功率域疊加用戶數(shù)kn大于3時，功率復(fù)用帶來的吞吐量提升很小，但是接收機(jī)SIC檢測性能卻急劇下降，因此本文考慮kn為2的情況。假設(shè)將(3)代入(4)中改寫目標(biāo)函數(shù)：maxpk1,npk2,n{Σn=1NBNlog2(1+pk1,nΓk1,n)+Σn=1NBNlog2(1+pk2,nΓk2,npk1,nΓk2,n+1)}---(7)]]>其中k1和k2為Ωn集合中的用戶。圖3所示為用戶組合選擇和功率分配流程圖。具體步驟如下：1)基站端通過公共控制信道確認(rèn)要向小區(qū)內(nèi)發(fā)送信息的用戶集；2)基站端獲得用戶集的CSI(ChannelStateInformation)；3)對于每個子信道，通過窮舉所有用戶組合及給用戶組合初步分配功率，計算各組合的吞吐量，找到最大吞吐量的用戶組合，將其作為該子信道的疊加用戶集；其中初步分配功率包括：基站端將發(fā)射總功率平均分配給所有可用的子信道，即對于每個子信道n，分配的功率為Ptot/N；在單個子信道上采用固定功率分配方式得到各疊加用戶的功率，即給信道條件好的用戶分配αfpaPtot/N，給信道條件較差的用戶分配(1-αfpa)Ptot/N，其中αfpa(0<αfpa<0.5)為各疊加用戶的功率比，假設(shè)對所有子信道來說αfpa都為常數(shù)；4)基站給各子信道上的疊加用戶進(jìn)行功率分配；其中，基站給各子信道上的疊加用戶進(jìn)行功率分配過程如下：a)找出各子信道的注水等效信道增益，第n個子信道的注水等效信道增益為h'n；b)初始化各參數(shù)，包括：初始注水水位α，實(shí)際參與本次注水的子信道集合Son、子信道數(shù)Non和調(diào)整步長μ，初始注水水位按下式求得：α=1N(Ptot+Σn=1N1Hn)---(8)]]>c)得到本次分配的所有子信道功率pn，在該步驟中，可以將目標(biāo)函數(shù)(4)改寫為：maxpnΣn=1NBNlog2(1+pnHn)---(9)]]>s.t.Σn=1Npn≤Ptot---(10)]]>其中N0表示加性高斯白噪聲的功率譜密度，h'n表示第n個子信道的注水等效信道增益，我們?nèi)’B加用戶間信道增益較好者作為注水等效信道增益h'n。根據(jù)式(9)和(10)，利用拉格朗日算法，構(gòu)造拉格朗日函數(shù)：Ψ=Σn=1Nlog2(1+Hnpn)-λ(Σn=1Npn-Ptot)---(11)]]>其中，λ拉格朗日乘子。式(11)兩邊分別對pn，λ求導(dǎo)，則有∂Ψ∂pn=1ln2Hn1+Hnpn-λ=0---(12)]]>∂Ψ∂λ=Σn=1Npn-Ptot=0---(13)]]>令α＝λln2，則可以計算出α＝Hn/(1+Hnpn)(14)從而可以推出pn＝1/α-1/Hn(15)此時式(15)并不能直接計算得到最優(yōu)的子信道功率pn，當(dāng)某一子信道的功率pn<0，將其置為零，且把該子信道從剩余的迭代過程中剔除；d)如果步驟c)中所有子信道的功率pn都非負(fù)，則轉(zhuǎn)至e)；否則，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位調(diào)整為：α←α+μ1Non(Ptot-Σn=1Npn)---(16)]]>e)進(jìn)行各子信道上疊加用戶的功率pi,n計算，在該步驟中，子信道上功率再分配按下式進(jìn)行：pi,n=hi,n-2αftpapnΣj∈Ωnhj,n-2αftpa---(17)]]>其中αftpa(0≤αftpa≤1)表示分?jǐn)?shù)階功率分配方式的功率衰減因子，當(dāng)αftpa＝0為用戶等功率分配。隨著αftpa的增加，低信道增益的用戶獲得更多的功率?？傊景l(fā)明主要創(chuàng)新點(diǎn)體現(xiàn)在子信道間功率分配上。在子信道間功率分配過程中，本發(fā)明每次迭代需要執(zhí)行2N次加法和N+2次乘法，其運(yùn)算量為O(N)，整個子信道間功率分配的運(yùn)算量為O(kN)，其中N為每次注水的子信道個數(shù)，k為迭代次數(shù)。為了進(jìn)一步說明本發(fā)明提供的一種非正交多址接入功率分配方法有效性，下面對本發(fā)明的功率分配方法進(jìn)行仿真驗證，其中子信道上疊加用戶間采用分?jǐn)?shù)階功率分配方式，仿真結(jié)果如圖4所示。仿真的信道模型為6徑頻率選擇性瑞利衰落信道，6徑的功率分布為[0，-8.69，-17.37，-26.06，-34.74，-43.43]dB，最大多普勒頻移為30Hz，時延擴(kuò)展為5us，功率域疊加用戶數(shù)為2個，基站總發(fā)射功率為1W，子信道數(shù)為128，系統(tǒng)帶寬為1MHz，噪聲功率譜密度為1.1565*10-8W/Hz，假設(shè)基站接收理想的信道信息。仿真結(jié)果看出本發(fā)明一種非正交多址接入功率分配方法在少量增加計算功率分配過程復(fù)雜度基礎(chǔ)上，相比Benjebbour功率分配方法提高了大約7％的系統(tǒng)總吞吐量。以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。當(dāng)前第1頁1 2 3