本發(fā)明涉及一種scma系統(tǒng)的功率分配方法，屬于通信
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：稀疏碼多址接入(scma)是一種新型的非正交多址接入方式，是針對于高頻譜利用效率而提出來的一種高速率傳輸技術(shù)，該空口技術(shù)目前已被列為5g移動(dòng)通信候選標(biāo)準(zhǔn)之一，相比于傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)，它具有容量高時(shí)延小傳輸速率快等優(yōu)點(diǎn)，抗多徑能力強(qiáng)，同時(shí)也克服了cdma遠(yuǎn)近效應(yīng)的不足。雖然scma技術(shù)在頻譜效率有了很大的提升，但由于星座點(diǎn)更為密集，從而造成了一定程度上的誤碼率的下降。另外，在系統(tǒng)功率分配方面，目前對于scma的研究尚未完善，現(xiàn)有文獻(xiàn)中主要采用的還是平均功率分配算法，該算法是在不考慮信道衰落情況下進(jìn)行分配的，只是將總功率平均分配給各個(gè)用戶，雖然實(shí)現(xiàn)簡單，但系統(tǒng)吞吐量性能難以達(dá)到最優(yōu)，而且系統(tǒng)能量利用率較低。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有平均分配功率的方法使系統(tǒng)吞吐量性能難以達(dá)到最優(yōu)，且系統(tǒng)能量利用率較低的問題，本發(fā)明提供一種基于最大容量的scma系統(tǒng)三級功率分配方法。本發(fā)明的一種基于最大容量的scma系統(tǒng)三級功率分配方法，所述方法包括如下步驟：步驟一：進(jìn)行單用戶載波間功率分配，每個(gè)用戶占用多個(gè)子載波，分配時(shí)需滿足同一用戶占用的子載波上的容量保持一致；步驟二：建立用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型，對該優(yōu)化模型進(jìn)行迭代，獲取最優(yōu)分配功率，利用該最優(yōu)分配功率，進(jìn)行組內(nèi)用戶間功率分配；步驟三：根據(jù)步驟二獲取的最優(yōu)分配功率及其對應(yīng)的容量，擬合出二次函數(shù)，獲取二次函數(shù)的參數(shù)值；步驟四：根據(jù)獲取的二次函數(shù)的參數(shù)值，建立組間容量與分配功率的優(yōu)化模型，獲取各組的最優(yōu)分配功率，使得容量最大，根據(jù)各組的最優(yōu)分配功率進(jìn)行用戶組間功率分配。優(yōu)選的是，所述步驟一中，進(jìn)行單用戶載波間功率分配時(shí)，為了滿足同一用戶占用的子載波上的容量保持一致，分配功率因子αn應(yīng)當(dāng)滿足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝…＝αnps,rhs,r,n其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶占用的子載波的數(shù)量。優(yōu)選的是，所述步驟二包括如下步驟：步驟二一：建立用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型，設(shè)定目標(biāo)函數(shù)與約束條件，選取拉格朗日乘子初值，設(shè)置迭代次數(shù)l＝1和最大迭代次數(shù)l；所述用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型為：r表示組內(nèi)用戶的數(shù)量；wr表示用戶r的加權(quán)因子；表示用戶r的噪聲方差；c1～c3分別表示三個(gè)約束條件；rreq表示最小數(shù)據(jù)需求速率，pmax表示該用戶組分配的最大傳輸功率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶占用的子載波的數(shù)量；步驟二二：利用凸優(yōu)化理論對步驟一的用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型進(jìn)行求解，獲取最優(yōu)分配功率表達(dá)式：λr和μr分別表示用戶r中的約束條件c1的拉格朗日乘子和約束條件c2的拉格朗日乘子；[x]+＝max(0,x)；步驟二三：根據(jù)當(dāng)前的拉格朗日乘子和步驟二二中的最優(yōu)分配功率表達(dá)式計(jì)算用戶的分配功率值，并更新拉格朗日乘子：其中，rr(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)的數(shù)據(jù)速率，λr(l)用戶r在第l次迭代時(shí)約束條件c1的拉格朗日乘子，μr(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)約束條件c2的拉格朗日乘子，ps,r(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)所分配得到的功率，βr為迭代步長；步驟二四：當(dāng)更新后的拉格朗日乘子收斂或者當(dāng)前迭代次數(shù)達(dá)到l，則利用此時(shí)的分配功率值進(jìn)行組內(nèi)用戶間功率分配，否則l＝l+1，轉(zhuǎn)入步驟二三。優(yōu)選的是，所述步驟四中，所述組間容量與分配功率的優(yōu)化模型為：s表示scma系統(tǒng)中用戶組的數(shù)量，as、bs和cs分別表示步驟三中擬合出二次函數(shù)的參數(shù)值，ps表示用戶組s的最優(yōu)分配功率；ptot表示基站最大傳輸功率；表示用戶組s中用戶r的噪聲方差；rreq表示最小數(shù)據(jù)需求速率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶占用的子載波的數(shù)量。上述技術(shù)特征可以各種適合的方式組合或由等效的技術(shù)特征來替代，只要能夠達(dá)到本發(fā)明的目的。本發(fā)明的有益效果在于，本發(fā)明針對于單小區(qū)多用戶的scma系統(tǒng)下行鏈路，在滿足所有用戶的最小速率要求下，以最大化系統(tǒng)總?cè)萘繛槟繕?biāo)，建立下行鏈路功率分配問題的最優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，并利用凸優(yōu)化理論和曲線擬合方法對該優(yōu)化問題進(jìn)行分析求解，根據(jù)求解出的最優(yōu)分配功率依次進(jìn)行單用戶、組內(nèi)和組間的用戶間的功率分配，實(shí)驗(yàn)效果證明，相比于各用戶平均分配功率的方式，本發(fā)明所提的容量最大化功率分配算法在總?cè)萘可嫌忻黠@提高，此外，還可以看到整個(gè)scma用戶組的總?cè)萘侩S著最優(yōu)分配功率的增大而相應(yīng)得到提升，且系統(tǒng)總?cè)萘侩S基站發(fā)射總功率的增加而增大，本發(fā)明使系統(tǒng)吞吐量性能達(dá)到最優(yōu)，且提高了系統(tǒng)能量利用率。附圖說明圖1為本發(fā)明的流程示意圖。圖2為執(zhí)行步驟二后組內(nèi)用戶間功率分配收斂特性曲線示意圖。圖3為執(zhí)行步驟二后組內(nèi)用戶間功率分配容量性能效果圖。圖4為執(zhí)行步驟三后二次擬合后的曲線示意圖。圖5為執(zhí)行步驟四周組間功率分配后的吞吐量性能效果圖。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、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有作出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。需要說明的是，在不沖突的情況下，本發(fā)明中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。本實(shí)施方式針對于蜂窩網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)單小區(qū)多用戶的scma下行鏈路進(jìn)行分析，該小區(qū)有一個(gè)基站和s個(gè)用戶組，每個(gè)用戶組中包含r個(gè)用戶，共占用了n個(gè)相互正交的子載波，本實(shí)施方式中采用的過載系數(shù)為1.5，故r＝1.5n，任何一個(gè)用戶均占用一個(gè)scma層，同時(shí)使用一套碼本。用戶間則相互共享層上的時(shí)頻資源，從而實(shí)現(xiàn)多用戶多址接入的目的。而碼本的大小則是由碼字長度和非零元素的個(gè)數(shù)共同來決定的。在scma系統(tǒng)的解碼中，最大似然解碼是最優(yōu)的解碼算法，但考慮到接收機(jī)的復(fù)雜度以及scma碼字的稀疏特性，接收機(jī)可以通過mpa算法來實(shí)現(xiàn)多用戶檢測的功能，從而直接降低scma接收機(jī)的解碼復(fù)雜度。理想情況下，可以認(rèn)為不同scma層的碼字間是不存在干擾的，因此分配到不同層的碼字可以視為是正交的。即在理想的mpa接收和理想的同步情況下，scma系統(tǒng)中存在的的多用戶干擾可以完全忽略。scma用戶組中功率分配向量可以表示為p＝(ps,r)s×r，其中用戶組s中的用戶r分配得到的功率為ps,r。因此得到基站發(fā)射的總功率為：記用戶組s中的用戶r在該組中的子載波n上所分配的功率比例因子為αn，取值滿足0<αn<1，且此時(shí)該用戶的信噪比可記作：其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，表示子載波n上用戶r的噪聲功率，噪聲為加性高斯白噪聲。根據(jù)香農(nóng)公式，用戶k可以達(dá)到的理論數(shù)據(jù)速率rs,r為：rs,r＝log2(1+snrs,r)(3)本實(shí)施方式結(jié)合scma技術(shù)自身特性，針對于scma系統(tǒng)提出了三級功率分配方案，分別是：單用戶載波間功率分配、組內(nèi)用戶間功率分配和組間功率分配。下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不作為本發(fā)明的限定。結(jié)合圖1說明本實(shí)施方式，本實(shí)施方式所述的基于最大容量的scma系統(tǒng)三級功率分配方法，包括如下步驟：步驟一、單用戶載波間功率分配：每個(gè)用戶占用多個(gè)子載波，分配時(shí)需滿足同一用戶占用的子載波上的容量保持一致；步驟二、組內(nèi)用戶間功率分配：建立用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型，對該優(yōu)化模型進(jìn)行迭代，獲取最優(yōu)分配功率，利用該最優(yōu)分配功率，進(jìn)行組內(nèi)用戶間功率分配；步驟三：根據(jù)步驟二獲取的最優(yōu)分配功率及其對應(yīng)的容量，擬合出二次函數(shù)，獲取二次函數(shù)的參數(shù)值；步驟四、用戶組間功率分配：根據(jù)獲取的二次函數(shù)的參數(shù)值，建立組間容量與分配功率的優(yōu)化模型，獲取各組的最優(yōu)分配功率，使得容量最大，根據(jù)各組的最優(yōu)分配功率進(jìn)行用戶組間功率分配。優(yōu)選實(shí)施例中，基于載波間容量均等化準(zhǔn)則，進(jìn)行單用戶載波間功率分配：在scma系統(tǒng)中，每個(gè)用戶占用多個(gè)子載波，而每個(gè)子載波上承載多個(gè)用戶的信息，由于每個(gè)用戶在多個(gè)子載波上傳輸?shù)男畔⑹抢玫姆旨乃枷?，即被同一用戶占用的子載波上傳輸?shù)氖窍嗤男畔?，因此該用戶的傳輸速率或容量取決于其占用的子載波中速率最低或容量最小的子載波。因此，從最大化系統(tǒng)容量和節(jié)省系統(tǒng)總功率的角度考慮，在單用戶載波間功率分配的準(zhǔn)則應(yīng)使得同一用戶占用的子載波上容量保持一致，因此分配的功率因子αn應(yīng)當(dāng)滿足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝…＝αnps,rhs,r,n(4)其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶占用的子載波的數(shù)量。優(yōu)選實(shí)施例中，組內(nèi)用戶間功率分配：本實(shí)施方式每個(gè)scma系統(tǒng)中的用戶組中有6個(gè)用戶，占用4個(gè)子載波。在組內(nèi)用戶間功率分配時(shí)，選取任一scma系統(tǒng)的用戶組進(jìn)行分析，故該部分省去部分變量的下角標(biāo)s。下面考慮在用戶qos需求和最大傳輸功率等約束條件限制下，建立用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型如下：其中wr為用戶r的加權(quán)因子，rreq為最小業(yè)務(wù)需求速率，pmax為該用戶組分配的最大傳輸功率，表示用戶r的噪聲方差。以上目標(biāo)函數(shù)的物理意義：在固定碼本的前提下，最大化該用戶組中所有用戶的容量的算術(shù)和，并且滿足如下3個(gè)限制條件，包括：約束條件c1要求組內(nèi)每個(gè)用戶的傳輸速率滿足業(yè)務(wù)需求的最小保證速率；約束條件c2是指用戶組所分配功率為pmax，即組內(nèi)用戶的分配功率和受限；約束條件c3要求用戶分配的功率具有非負(fù)性。已經(jīng)證明該優(yōu)化問題是一個(gè)凸優(yōu)化問題，可以借助對偶分解的方法來對其最優(yōu)解進(jìn)行求解。該凸問題的拉格朗日函數(shù)可寫為：其中λ＝(λ1,λ2,…,λr)和μ＝(μ1,μ2,…,μr)是設(shè)定的拉格朗日乘子。λr和μr分別表示用戶r中的約束條件c1的拉格朗日乘子和約束條件c2的拉格朗日乘子；該問題的對偶問題可以表示為:利用kkt條件，對式(6)求取偏導(dǎo)，并使其等于0，即：求解式(8)可以計(jì)算出最優(yōu)功率為其中[x]+＝max(0,x)。而對于拉格朗日乘子，可以根據(jù)次梯度算法，采用下式進(jìn)行更新。其中，rr(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)的數(shù)據(jù)速率，λr(l)用戶r在第l次迭代時(shí)約束條件c1的拉格朗日乘子，μr(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)約束條件c2的拉格朗日乘子，ps,r(l)表示用戶r在第l次迭代時(shí)所分配得到的功率，βr為迭代步長。通過梯度算法，經(jīng)過一定次數(shù)的迭代，拉格朗日乘子和最有分配功率值達(dá)到收斂之后，便可以得到公式(5)的最優(yōu)解。步驟二具體包括如下步驟：步驟二一：根據(jù)上述建立的用戶組內(nèi)功率分配的優(yōu)化模型及設(shè)定目標(biāo)函數(shù)與約束條件，選取拉格朗日乘子初值，設(shè)置迭代次數(shù)l＝1和最大迭代次數(shù)l；步驟二二：根據(jù)當(dāng)前的拉格朗日乘子和公式(9)計(jì)算用戶的分配功率值，并公式(10)和公式(11)更新拉格朗日乘子；步驟二三：當(dāng)更新后的拉格朗日乘子收斂或者當(dāng)前迭代次數(shù)達(dá)到l，則利用此時(shí)的分配功率值進(jìn)行組內(nèi)用戶間功率分配，否則l＝l+1，轉(zhuǎn)入步驟二二。優(yōu)選實(shí)施例中，步驟四中，根據(jù)步驟二獲取的最優(yōu)分配功率及其對應(yīng)的容量，擬合出二次函數(shù)，獲取二次函數(shù)的參數(shù)值；由于組內(nèi)用戶功率分配的優(yōu)化解是通過迭代求解得到的，因此沒有辦法通過解析的形式得到系統(tǒng)容量與最優(yōu)分配功率值的函數(shù)表達(dá)式，但通過仿真可以得到容量與最優(yōu)分配功率的對應(yīng)數(shù)值，然后采用曲線擬合的手段近似計(jì)算出對應(yīng)關(guān)系式，通過對擬合逼近度與計(jì)算復(fù)雜度進(jìn)行折中考慮，本實(shí)施方式選取二次函數(shù)y＝ax2+bx+c作為擬合函數(shù)，此時(shí)系統(tǒng)總?cè)萘靠蓪憺椋篴s、bs和cs分別表示步驟三中擬合出二次函數(shù)的參數(shù)值，s＝1,…,s，ps表示用戶組s的最優(yōu)分配功率；考慮在用戶qos需求和最大傳輸功率等約束條件限制下，可以建立優(yōu)化模型如下：其中as、bs和cs表示根據(jù)組內(nèi)用戶功率分配方案擬合出的二次函數(shù)的參數(shù)值，針對于不同的scma用戶組可以擬合出相應(yīng)地容量與功率之間的函數(shù)表達(dá)式，rreq是滿足用戶組s中用戶r的最小數(shù)據(jù)需求速率，ptot指基站最大傳輸功率。以上目標(biāo)函數(shù)的物理意義：在固定碼本的前提下，最大化網(wǎng)絡(luò)中所有用戶的容量的算術(shù)和，并且滿足以下3個(gè)限制條件，即：約束c1表示基站發(fā)射總功率受限；約束c2保證每個(gè)用戶的數(shù)據(jù)速率達(dá)到其最小速率需求；約束c3表示用戶分配的功率具有非負(fù)性。由于該模型為經(jīng)典凸問題模型，可以直接利用matlab工具箱進(jìn)行求解。根據(jù)獲取的二次函數(shù)的參數(shù)值，建立組間容量與分配功率的優(yōu)化模型，獲取各組的最優(yōu)分配功率，使得容量最大，根據(jù)各組的最優(yōu)分配功率進(jìn)行用戶組間功率分配。借助于matlab軟件對本實(shí)施方式所提出的最大化系統(tǒng)容量的scma功率分配方法進(jìn)行仿真以評估其性能。仿真參數(shù)如表1所示：表1仿真參數(shù)設(shè)置表仿真參數(shù)設(shè)置值子載波個(gè)數(shù)12scma分組數(shù)3碼本數(shù)目6過載系數(shù)1.5最小速率64kbps子載波帶寬30khz小區(qū)半徑500基站發(fā)射功率46路損模型pllos＝103.4+24.2lg(r)陰影衰落標(biāo)準(zhǔn)差10db迭代次數(shù)2000加權(quán)因子1本實(shí)施方式中，采用如上仿真參數(shù)，圖2是執(zhí)行步驟一和步驟二的組內(nèi)用戶間功率分配得到的收斂特性曲線，該仿真考慮的是單一scma用戶組，其中包含6個(gè)用戶，共占用4個(gè)子載波，其中基站最大傳輸功率為27w，滿足各用戶qos要求的最小速率為64kbps。從圖2中可看出，在迭代的初期出現(xiàn)明顯抖動(dòng)，但本實(shí)施方式基本在迭代500次后達(dá)到收斂，從而根據(jù)收斂的功率值求得組內(nèi)各個(gè)用戶分配的功率。圖3給出了本實(shí)施方式容量最大化分配方法的容量與用戶組分配功率間的對應(yīng)關(guān)系變化曲線，為充分表現(xiàn)本實(shí)施方式的優(yōu)越性，在圖3中也畫出了采用平均功率分配方法時(shí)的關(guān)系曲線，各用戶最小業(yè)務(wù)需求速率仍然為64kbps。從圖3中仿真結(jié)果可以得出結(jié)論，相比于各用戶平均分配功率的方式，本實(shí)施方式的容量最大化功率分配方法在總?cè)萘可嫌忻黠@提高，此外，還可以看到整個(gè)scma用戶組的總?cè)萘侩S著用戶組分配功率的增大而相應(yīng)得到提升。在完成組內(nèi)用戶間功率分配后，要對所有用戶組中容量與最優(yōu)分配功率關(guān)系曲線進(jìn)行擬合，這里選用二次函數(shù)進(jìn)行擬合，圖4為擬合函數(shù)的曲線與原數(shù)據(jù)的對比圖。由于橫坐標(biāo)功率在實(shí)際系統(tǒng)中是有取值范圍的，一般在5w-25w之間，從圖中可以看出在功率5w-25w的范圍內(nèi)曲線擬合良好，因此在后續(xù)的研究中完全可以使用二次擬合的函數(shù)來代替原數(shù)據(jù)。圖5為本實(shí)施方式執(zhí)行步驟四后的組間功率分配的吞吐量性能仿真曲線，同時(shí)也仿真了各個(gè)用戶組采用功率平均分配方式的情況以進(jìn)行對比，為公平起見，兩種方案中各組內(nèi)用戶間的功率分配方案均采用了本實(shí)施方式的組內(nèi)用戶間容量最大化方法。由仿真圖5可以看出，本實(shí)施方式所提出的組間功率分配方案較之于平均功率分配方法在系統(tǒng)容量上有了一定提升，且系統(tǒng)總?cè)萘侩S基站發(fā)射總功率的增加而增大。雖然在本文中參照了特定的實(shí)施方式來描述本發(fā)明，但是應(yīng)該理解的是，這些實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的原理和應(yīng)用的示例。因此應(yīng)該理解的是，可以對示例性的實(shí)施例進(jìn)行許多修改，并且可以設(shè)計(jì)出其他的布置，只要不偏離所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍。應(yīng)該理解的是，可以通過不同于原始權(quán)利要求所描述的方式來結(jié)合不同的從屬權(quán)利要求和本文中所述的特征。還可以理解的是，結(jié)合單獨(dú)實(shí)施例所描述的特征可以使用在其他所述實(shí)施例中。當(dāng)前第1頁12