一種非正交多址接入功率分配方法與流程

本發明屬于移動通信
技術領域：
，涉及一種基于非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess,NOMA)系統的功率分配方法。
背景技術：
：高速增長的無線應用促使了第五代移動通信系統的研究熱潮。IMT-2020(5G)推進組在《5G愿景與需求白皮書》中提出5G對未來無線網絡更高要求，即用戶體驗速率要達到0.1-1Gbps，設備連接承受能力要達到106/km2，頻譜效率要比4G提升5～15倍。為了滿足人們日益增長的移動業務需求，迫切需要改進現有的多址接入技術。在這種背景下Saito等人提出了非正交多址接入技術(non-orthogonalmultipleaccess，NOMA)。NOMA的基本原理是在發送端先對各個用戶信號獨立進行編碼調制，在對各個用戶信號分配不同的功率后進行線性疊加，疊加后的信號還可以采用正交頻分復用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，OFDM)技術來進行傳輸；接收端通過串行干擾消除檢測技術完成用戶信號的接收。NOMA是一種基于功率域復用的多址技術，各用戶通過信號功率的不同來進行區分，從而可以將時域、頻域等資源提供給多個用戶共享，以提高系統的頻譜效率、系統容量。目前，NOMA系統功率分配問題的研究已經有了初步成果。NOMA首次將功率域由單用戶獨占改為由多用戶共享，使功率分配變得更加復雜。BenjebbourA和LiA等人提出了一種在總功率約束下最大化系統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數階功率分配方法進行功率再分配。這種方法雖然計算復雜度低，但是功率分配效率很差。技術實現要素：本發明旨在解決以上現有技術的問題。提出了一種檢測方法。本發明的技術方案如下：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內發送信息的用戶集；步驟2、基站端估計用戶集的信道狀態信息CSI，獲得當前各用戶不同信道狀態情況；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數階或固定功率分配方式對用戶進行功率再分配；步驟4、基站給各子信道上的疊加用戶集(采用注水原理)進行功率分配。進一步的，所述步驟3在單個子信道上采用分數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，假設對所有子信道來說αfpa都為常數。進一步的，所述步驟4基站給各子信道上的疊加用戶集進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)初始化關鍵參數，其中包括初始注水水位α，實際參與本次注水的子信道集合Son、子信道數Non和調整步長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為基站發射功率，N為子信道個數；Hn表示子信道信噪比。c)得到本次實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，則轉至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)為分數階功率分配方式的功率衰減因子。進一步的，當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的功率關系表示為：pi,n＝αfixpj,n(a.5)，其中i∈Ωn,j∈Ωn。進一步的，所述步驟c)中最優的子信道功率pn是通過拉格朗日算法，構造拉格朗日函數并求導求得。本發明的優點及有益效果如下：本發明方法基于整個信道資源被預先分給了K個用戶前提下，首先對所有子信道進行注水，得到各個子信道的復用功率；然后在單個子信道上采用分數階或固定功率分配方式進行功率再分配，得到各疊加用戶的發送功率。本發明主要創新點體現在子信道間功率分配上。在子信道間功率分配過程中，本發明每次迭代需要執行2N次加法和N+2次乘法，其運算量為O(N)，整個子信道間功率分配的運算量為O(kN)，其中N為每次注水的子信道個數，k為迭代次數。該方法在增加少量計算復雜度的前提下，相比Benjebbour功率分配方法提高了大約7％的系統總吞吐量。附圖說明圖1是本發明提供優選實施例NOMA系統下行鏈路模型；圖2是用戶接收機的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是本專利方法系統吞吐量分析。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例。本發明的技術方案如下：圖1為NOMA系統下行鏈路模型。假設小區中用戶數為Kfαpa，子信道數為N，總帶寬為B，總發射功率為Ptot，第n個子信道上疊加的用戶數為kn，基站和接收端天線數都為1。在發送端，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接收機采用串行干擾消除技術(successiveinterferencecancellation，SIC)進行檢測。當其他用戶解碼之后，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接收機的檢測過程有所不同，對所有UE接收機而言，正常解碼順序為載波干擾噪聲比(CINR)升序。假設在第n個子信道上功率域疊加用戶根據載波干擾噪聲比從大到小排序為：其中UEm接收機進行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信號都當成干擾處理。圖2表示UEm接收機的SIC檢測處理流程。經過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)]]>進一步，假設整個信道資源被預先分給了K個用戶，則使得NOMA系統總的吞吐量最大化的功率分配優化模型如下: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系統在發送端采用功率復用技術，當功率域疊加用戶數kn大于3時，功率復用帶來的吞吐量提升很小，但是接收機SIC檢測性能卻急劇下降，因此本文考慮kn為2的情況。假設將(3)代入(4)中改寫目標函數：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要向小區內發送信息的用戶集；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，假設對所有子信道來說αfpa都為常數；4)基站給各子信道上的疊加用戶進行功率分配；其中，基站給各子信道上的疊加用戶進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，包括：初始注水水位α，實際參與本次注水的子信道集合Son、子信道數Non和調整步長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，可以將目標函數(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，我們取疊加用戶間信道增益較好者作為注水等效信道增益h'n。根據式(9)和(10)，利用拉格朗日算法，構造拉格朗日函數：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，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的子信道功率pn，當某一子信道的功率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，則轉至e)；否則，更新注水水位，并返回c)，每次迭代中注水水位調整為：α←α+μ1Non(Ptot-Σn=1Npn)---(16)]]>e)進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行：pi,n=hi,n-2αftpapnΣj∈Ωnhj,n-2αftpa---(17)]]>其中αftpa(0≤αftpa≤1)表示分數階功率分配方式的功率衰減因子，當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。總之，本發明主要創新點體現在子信道間功率分配上。在子信道間功率分配過程中，本發明每次迭代需要執行2N次加法和N+2次乘法，其運算量為O(N)，整個子信道間功率分配的運算量為O(kN)，其中N為每次注水的子信道個數，k為迭代次數。為了進一步說明本發明提供的一種非正交多址接入功率分配方法有效性，下面對本發明的功率分配方法進行仿真驗證，其中子信道上疊加用戶間采用分數階功率分配方式，仿真結果如圖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，時延擴展為5us，功率域疊加用戶數為2個，基站總發射功率為1W，子信道數為128，系統帶寬為1MHz，噪聲功率譜密度為1.1565*10-8W/Hz，假設基站接收理想的信道信息。仿真結果看出本發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雜度基礎上，相比Benjebbour功率分配方法提高了大約7％的系統總吞吐量。以上這些實施例應理解為僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。在閱讀了本發明的記載的內容之后，技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的范圍。當前第1頁1 2 3