本發(fā)明涉及無(wú)線移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及蜂窩網(wǎng)無(wú)線通信系統(tǒng)下行數(shù)據(jù)傳輸，尤其涉及一種基于實(shí)際系統(tǒng)有限字符集約束下的單天線下行非正交多址接入技術(shù)(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)系統(tǒng)的功率分配方法。

背景技術(shù)：

最近幾年，非正交多址接入技術(shù)(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)因其相較于傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)能夠提供更高的頻譜效率以及同時(shí)支持更多的連接數(shù)，在學(xué)術(shù)界和工業(yè)界獲得了廣泛的關(guān)注。在下行NOMA系統(tǒng)中，發(fā)送給不同用戶的數(shù)據(jù)符號(hào)可以通過(guò)疊加編碼共享信道資源，在接收端則使用串行干擾消除技術(shù)(Successive Interference Cancelation,SIC)以獲得容量增益。通過(guò)調(diào)整給不同用戶的功率，基站可以靈活地在公平性和系統(tǒng)總速率之間進(jìn)行折中。因此，一個(gè)高效的功率分配方法對(duì)于下行NOMA系統(tǒng)非常關(guān)鍵。

目前關(guān)于下行NOMA系統(tǒng)的功率分配已經(jīng)有很多方法和結(jié)論，例如滿足比例公平(Proportional Fairness，PF)的功率分配法、用于多個(gè)小區(qū)的分布式功率分配技術(shù)以及用于多天線NOMA系統(tǒng)的功率分配和波束賦形技術(shù)，這些技術(shù)的出現(xiàn)大大推動(dòng)了NOMA技術(shù)在新一代無(wú)線通信系統(tǒng)中的運(yùn)用。盡管如此，這些技術(shù)的性能卻建立在一個(gè)共同的前提條件下，即各用戶的輸入符號(hào)滿足高斯分布。信息論告訴我們，高斯輸入在理論上是最優(yōu)的，但是在實(shí)際通信系統(tǒng)中，發(fā)送的符號(hào)通常取自離散的有限字符集，即星座點(diǎn)集合。因此，基于高斯輸入假定的功率分配法，在實(shí)際的有限字符輸入系統(tǒng)中必然帶來(lái)性能損失。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，有必要提出一種能夠降低系統(tǒng)性能損失的單天線下行NOMA系統(tǒng)的功率分配方法。

一種單天線下行NOMA系統(tǒng)的功率分配方法，包括以下步驟：

S1，使用互信息公式計(jì)算得到各用戶可達(dá)速率的表達(dá)式；

S2，使用Jensen不等式和積分操作將所述可達(dá)速率的表達(dá)式中的求期望操作消掉以對(duì)所述可達(dá)速率的表達(dá)式進(jìn)行化簡(jiǎn)，得到近似可達(dá)速率表達(dá)式；

S3，利用所述近似可達(dá)速率表達(dá)式，得到系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，并最大化該加權(quán)和速率，從而得到功率分配結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述可達(dá)速率為各用戶功率分配變量的函數(shù)。

進(jìn)一步地，所述優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為加權(quán)和速率的表達(dá)式。

進(jìn)一步地，步驟S1中的所述可達(dá)速率的表達(dá)式根據(jù)編碼調(diào)制時(shí)使用的離散星座點(diǎn)集合、當(dāng)前時(shí)刻的信道信息、基站的功率以及各用戶功率比重，通過(guò)互信息公式計(jì)算得出。

進(jìn)一步地，步驟S3包括：將所述近似可達(dá)速率表達(dá)式乘上系統(tǒng)分配給各用戶的可達(dá)速率權(quán)重之后求和得到所述系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，再以系統(tǒng)各用戶功率分配變量為優(yōu)化變量最大化所述系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，求解所述功率分配結(jié)果。

進(jìn)一步地，所述單天線下行NOMA系統(tǒng)包括第一用戶和第二用戶，所述第一用戶的信道優(yōu)于所述第二用戶；所述第一用戶可優(yōu)先解出所述第二用戶的數(shù)據(jù)符號(hào)，然后再解自己的數(shù)據(jù)符號(hào)；第二用戶只能解自己的數(shù)據(jù)符號(hào)。

本發(fā)明通過(guò)互信息公式計(jì)算得到離散字符集約束下精確的可達(dá)速率表達(dá)式；再使用Jensen不等式和積分操作對(duì)所述可達(dá)速率表達(dá)式中的求期望操作進(jìn)行化簡(jiǎn)，將得到的近似可達(dá)速率表達(dá)式代替原始精確的可達(dá)速率表達(dá)式參與對(duì)系統(tǒng)加權(quán)和速率的優(yōu)化，從而以較低的復(fù)雜度得到能使系統(tǒng)加權(quán)和速率最大化的功率分配結(jié)果。本發(fā)明實(shí)施例提出的方法相對(duì)傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)的功率分配法在中高信噪比情況下能夠獲得一定的性能增益，并且該性能增益隨著信噪比的增加而增大。

附圖說(shuō)明

為了更清楚地說(shuō)明本發(fā)明實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施方式或現(xiàn)有技術(shù)描述中所需要使用的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施方式，對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的單天線下行NOMA系統(tǒng)功率分配方法的流程圖；

圖2a-2d是分別使用傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)的功率分配法、基于離散字符集輸入的功率分配法及使用圖1所述方法可達(dá)的加權(quán)和速率隨功率分配變量變化的比較圖；

圖3a-3d為使用傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)功率分配法、基于離散字符集輸入的功率分配法及使用圖1所述方法的最大加權(quán)和速率隨信噪比變化的比較圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施方式中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施方式僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施方式，而不是全部的實(shí)施方式?；诒景l(fā)明中的實(shí)施方式，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施方式，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

需要說(shuō)明的是，在本發(fā)明實(shí)施方式中使用的術(shù)語(yǔ)是僅僅出于描述特定實(shí)施方式的目的，而非旨在限制本發(fā)明。在本發(fā)明實(shí)施方式和所附權(quán)利要求書中所使用的單數(shù)形式的“一種”、“所述”和“該”也旨在包括多數(shù)形式，除非上下文清楚地表示其他含義。還應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明的說(shuō)明書和權(quán)利要求書及上述附圖中的術(shù)語(yǔ)“第一”、“第二”等是用于區(qū)別不同對(duì)象，而不是用于描述特定順序。

除非另有定義，本文所使用的所有的技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)與屬于本發(fā)明的技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員通常理解的含義相同。本文中在本發(fā)明的說(shuō)明書中所使用的術(shù)語(yǔ)只是為了描述具體的實(shí)施方式的目的，不是旨在于限制本發(fā)明。

請(qǐng)參考圖1，圖1所示為本發(fā)明實(shí)施方式的單天線下行NOMA系統(tǒng)功率分配方法的流程圖，所述方法包括步驟：

S101、使用互信息公式計(jì)算得到各用戶可達(dá)速率的表達(dá)式。

具體的，基站根據(jù)各用戶的離散星座點(diǎn)集合、當(dāng)前時(shí)刻的信道信息、基站的功率以及各用戶功率比重，通過(guò)互信息公式計(jì)算得到各用戶可達(dá)速率的表達(dá)式。

在本實(shí)施方式中，單天線下行NOMA系統(tǒng)以兩個(gè)用戶進(jìn)行功率分配為例進(jìn)行說(shuō)明，分別用h₁和h₂來(lái)表示當(dāng)前時(shí)刻第一用戶和第二用戶的信道，假定|h₁|≥|h₂|。第一用戶和第二用戶發(fā)送的數(shù)據(jù)符號(hào)分別用x₁和x₂表示，且x_i，(i＝1,2)以等概率隨機(jī)地取自離散字符集X_m，(i＝1,2)。對(duì)于每個(gè)離散字符集中的字符，有能量約束

假定基站的總功率為P，給第一用戶分配的功率比重為α,(0≤α≤1)，需要注意的是，α也可表述為功率分配變量。

根據(jù)NOMA原理，在發(fā)送端兩個(gè)用戶的數(shù)據(jù)符號(hào)直接疊加在一起，通過(guò)信道之后，第m個(gè)用戶(m＝1,2)的接收信號(hào)y_m可以寫成

其中ω_m～CN(0,σ_m²)為接收端的噪聲。

在接收端，由于第一用戶的信道條件要優(yōu)于第二用戶，因此第一用戶可以先解出第二用戶的數(shù)據(jù)符號(hào)，將其從收到的信號(hào)中減掉，然后再解自己的數(shù)據(jù)符號(hào)，而第二用戶只能直接解自己的數(shù)據(jù)符號(hào)。根據(jù)信息論的結(jié)論，兩個(gè)用戶的可達(dá)碼率R₁及R₂分別為

R₁＝I(x₁；y₁|x₂),

R₂＝I(x₂；y₂),

其中I(x₁；y₁|x₂)與I(x₂；y₂)表示對(duì)相應(yīng)的兩個(gè)變量求互信息。

由于實(shí)際系統(tǒng)輸入信號(hào)取自離散字符集，本實(shí)施方式基于等概率離散字符集輸入使用互信息公式直接計(jì)算可達(dá)速率，用I_D(x₁；y₁|x₂)表示第一用戶的可達(dá)速率，用I_D(x₂；y₂)表示第二用戶的可達(dá)速率，可得

由此可以得到離散字符集輸入下的最優(yōu)功率分配(Optimal Power Allocation,OPA)優(yōu)化問(wèn)題

其中W_D(α)＝μI_D(x₁；y₁|x₂)+(1-μ)I_D(x₂；y₂)為基于離散字符集輸入所采用的優(yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即離散字符集輸入下的加權(quán)和速率表達(dá)式。μ為第一用戶的速率權(quán)重。

S102、對(duì)各用戶可達(dá)速率的表達(dá)式使用Jensen不等式和積分操作進(jìn)行化簡(jiǎn)，消掉其中的求期望運(yùn)算，得到“閉式”的近似可達(dá)速率表達(dá)式。

由于優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)W_D(α)涉及到復(fù)雜的求期望操作，這使得OPA方法無(wú)法在實(shí)際系統(tǒng)中使用。因此，對(duì)I_D(x₁；y₁|x₂)和I_D(x₂；y₂)的表達(dá)式使用Jensen不等式和積分運(yùn)算進(jìn)行化簡(jiǎn)，消去求期望操作，得到如下容易計(jì)算的近似可達(dá)速率表達(dá)式

S103、通過(guò)簡(jiǎn)化后的近似可達(dá)速率表達(dá)式，得到近似的系統(tǒng)加權(quán)和速率的表達(dá)式，最大化該加權(quán)和速率，得到功率分配結(jié)果。

具體的，使用I_App(x₁；y₁|x₂)和I_App(x₂；y₂)作為I_D(x₁；y₁|x₂)和I_D(x₂；y₂)的近似，可以得到復(fù)雜度較低的次優(yōu)功率分配方法(Near-Optimal Power Allocation,NOPA)優(yōu)化問(wèn)題

其中W_App(α)＝μI_App(x₁；y₁|x₂)+(1-μ)I_App(x₂；y₂)為使用Jensen不等式和積分操作進(jìn)行化簡(jiǎn)近似后所采用的優(yōu)化問(wèn)題的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即加權(quán)和速率表達(dá)式。由于該目標(biāo)函數(shù)的表達(dá)式只涉及簡(jiǎn)單的運(yùn)算操作，求解的復(fù)雜度與GPA(見(jiàn)下文所述)方案為同一量級(jí)。

上述次優(yōu)功率分配方法NOPA使用Jensen不等式和積分操作對(duì)最優(yōu)功率分配方法下的加權(quán)和速率表達(dá)式W_D(α)中I_D(x₁；y₁|x₂)和I_D(x₂；y₂)化簡(jiǎn)近似成I_App(x₁；y₁|x₂)和I_App(x₂；y₂)，從而得到次優(yōu)功率分配方法下的加權(quán)和速率表達(dá)式W_App(α)，W_App(α)作為W_D(α)的簡(jiǎn)化表達(dá)式，由于消除了求期望運(yùn)算，其求解的復(fù)雜度明顯低于最優(yōu)功率分配方法。

在傳統(tǒng)的基于高斯輸入假設(shè)的功率分配法計(jì)算得出加權(quán)和速率表達(dá)式的過(guò)程中，將兩個(gè)用戶輸入的符號(hào)均假定為滿足高斯分布，則可通過(guò)高斯輸入假設(shè)直接得到非常簡(jiǎn)潔的可達(dá)速率表達(dá)式

其中I_G(x₁；y₁|x₂)為第一用戶的可達(dá)速率，I_G(x₂；y₂)為第二用戶的可達(dá)速率。由此可以得到傳統(tǒng)的基于高斯輸入的功率分配方案(Gaussian-Assumption Power Allocation,GPA)優(yōu)化問(wèn)題

其中，W_G(α)＝μI_G(x₁；y₁|x₂)+(1-μ)I_G(x₂；y₂)為使用高斯輸入假設(shè)所采用的優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，即高斯輸入假設(shè)下的加權(quán)和速率表達(dá)式。μ為第一用戶的速率權(quán)重。

請(qǐng)參考圖2a-2d，圖2a-2d為分別使用高斯輸入假設(shè)功率分配法GPA、基于離散字符集輸入的功率分配法OPA及圖1所述方法NOPA可達(dá)的加權(quán)和速率(Weighted-Sum Rate,WSR)隨功率分配變量變化的曲線。

如圖2a-2d所示，在所取的四種不同信噪比(Signal Noise Ratio,SNR)下，W_App(α)和W_D(α)幾乎都在同樣的功率分配變量α處取得WSR最大值，即α_NOPA≈α_OPA，而令W_G(α)取最大的α通常偏離α_OPA較遠(yuǎn)。由此可知，本發(fā)明實(shí)施方式所提供的NOPA方法幾乎能和極高復(fù)雜度的OPA方法得出相同的功率分配解，而傳統(tǒng)的GPA方法得到的功率分配解與OPA方法間有一定偏差。

請(qǐng)參考圖3a-3d，圖3a-3d為在第一用戶不同的速率權(quán)重下，傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)功率分配法GPA、基于離散字符集輸入的功率分配法OPA及本發(fā)明實(shí)施方式中提出的極低復(fù)雜度離散字符約束功率分配法NOPA的最大加權(quán)和速率(maximal WSR)隨用戶信噪比SNR變化的曲線。

如圖3a-3d所示，在第一用戶的速率權(quán)重μ相同的前提下，OPA方法和NOPA方法的最佳加權(quán)和速率與信噪比成正比，即最大加權(quán)和速率值隨信噪比的增加而增加，而且OPA方法和NOPA方法的最大加權(quán)和速率值明顯高于GPA方法下的最大加權(quán)和速率值。由此可知，OPA方法和NOPA方法相對(duì)于傳統(tǒng)的GPA方法中高信噪比情況下能夠獲得一定的性能增益，并且該性能增益隨著信噪比的增加而增大。

本發(fā)明實(shí)施方式從互信息的定義出發(fā)，根據(jù)廣播信道容量區(qū)域的結(jié)論直接計(jì)算，得到離散字符集約束下各用戶精確的可達(dá)速率表達(dá)式；再使用Jensen不等式和積分操作對(duì)這些可達(dá)速率表達(dá)式中的求期望操作進(jìn)行化簡(jiǎn)，將得到的簡(jiǎn)化式子代替原始精確的可達(dá)速率參與對(duì)系統(tǒng)加權(quán)和速率的優(yōu)化，從而以很低的復(fù)雜度得到能使系統(tǒng)加權(quán)和速率最大化的功率分配結(jié)果。由于該簡(jiǎn)化后的式子計(jì)算復(fù)雜度和高斯假定下的公式一樣具有閉式解的形式，因此本發(fā)明實(shí)施方式提供的方法和傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)功率分配法的復(fù)雜度在一個(gè)量級(jí)，但本實(shí)施方式的方法相對(duì)傳統(tǒng)高斯輸入假設(shè)功率分配法在中高信噪比情況下能夠獲得一定的性能增益，并且該性能增益隨著信噪比的增加而增大。

以上實(shí)施方式僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管參照以上較佳實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或等同替換都不應(yīng)脫離本發(fā)明。