适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法技术方案

本发明专利技术提供一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，基站根据覆盖范围、用户分布及用户数M，将子载波的功率划分成M个功率区块，构建每个子载波的功率区块向量，构建由N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵；基于子载波功率分配矩阵，将功率分配优化目标确定为在第k个功率区块获得子载波的最大传输速率；将未分配的功率区块的功率分配为0，已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为最小功率，采用线性注水功率分配算法，计算得到同一子载波上所有功率区块的功率；进而计算得到所有用户在各子载波上的功率。本发明专利技术能够实现各用户在各子载波上的功率分配的快速及优化，提高整个通信系统的性能。

Water injection power allocation optimization method for 5G network NOMA system

The invention provides an optimized method for water injection power allocation suitable for 5G network NOMA system. The base station divides the power of subcarriers into M power blocks according to coverage, user distribution and number of users M, constructs power block vectors of each subcarrier, and constructs power blocks with N subcarriers as rows and M users as column groups. Based on the subcarrier power allocation matrix, the optimal target of power allocation is determined to obtain the maximum transmission rate of subcarriers in the K power block; the undistributed power block is allocated to 0, and the worst SNR power in the allocated power block is allocated to the minimum power. Linear waterflooding power allocation algorithm calculates the power of all power blocks on the same subcarrier, and then calculates the power of all users on each subcarrier. The invention can realize the fast and optimized power distribution of each user on each sub-carrier and improve the performance of the whole communication system.

【技术实现步骤摘要】
适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法
本专利技术涉及一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，属于移动通信

技术介绍
第四代移动通信技术(4G)的多址复用方式基于正交频分多址接入技术(OrthogonalFrequencyDivisionMultipleAccess，OFDMA)，从多用户信息论的角度看，正交频分多址方式只能达到多用户容量界的内界。第五代移动通信技术(5G)定位于频谱效率更高、速率更快、容量更大的无线网络，需要研究更加先进的多址接入技术以获得更高的频谱效率。在现有5G网络的多址接入技术研究中，非正交多址(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)被认为是非常有前途的一种方案。NOMA可以在功率域由多个用户共享，将一个子载波分配给多个用户。在某些场景中，比如远近效应场景和广覆盖多节点接入场景，采用功率复用的非正交接入多址方式相较于传统的正交接入有明显的性能优势，更适合未来通信系统的部署。NOMA在接收端系统采用干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation，SIC)技术区分不同用户，具有更高的频谱利用率。NOMA系统的功率分配算法是技术核心之一，发送端的功率分配将直接影响接收端解码的性能和用户的信道容量。现有的功率分配方法主要包括：经典注水功率算法，其不采用直接求解拉格朗日因子的方法去求解各子载波上所分配的功率，而是对注水线赋初值，并用迭代的方法找到最优注水线，从而完成功率分配的过程，然而，多次迭代会导致收敛时间较长，影响系统整体性能。线性注水功率分配算法，其不需要通过多次迭代就能完成功率的最优化分配。如果某些信道状态不理想，则在其上分配的功率会出现负值，算法在这些信道上不分配功率。而在NOMA系统中，由于每个用户的信号分配到不同的子载波上，对于同一子载波，要求复用每个用户的信号，这就要求不同用户的信号功率应具有一定的差异，才能保证接收端的SIC接收机正确解调，因而，直接采用线性注水算法会出现同一载波不同用户之间的功率差无法满足SIC接收机正确解调的问题。
技术实现思路
鉴于上述原因，本专利技术的目的在于提供一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，通过构建子载波功率分配矩阵，确定优化目标，采用线性注水功率分配算法计算得到功率，能够实现各用户在各子载波上分配功率的快速及优化，提高整个通信系统的性能。为实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，包括：根据用户数M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块；构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：其中，Dij表示在子载波i上，用户k分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}，k∈{1，2，...，M}；确定功率分配优化目标为在第k个功率区块获得子载波i的最大传输速率，采用线性注水功率分配算法计算同一子载波上各功率区块的功率，包括：将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，剩余的功率通过以下公式计算得到：其中，hj为基站到用户j的信道增益，m为用户m，pj为第j个子载波上分配的功率，a为对应用户k的第k列功率区块中信噪比最差的子载波编号；为子载波a的干扰噪声的方差，为子载波n的干扰噪声的方差，是子载波a上第k个功率区块的信道增益，是子载波n上第k个功率区块的信道增益。计算各子载波上所有功率区块的功率，得到所有用户在各子载波上分配的功率，将各子载波分别对应的各功率区块的功率进行加合，形成各子载波的信号。用户向基站发送包括位置、接收信号强度、信噪比的反馈信息，基站根据该反馈信息，更新划分为该用户分配的功率区块，并将分配结果向所有用户广播。本专利技术的优点是：1、本专利技术的注水功率分配优化方法，构建子载波功率分配矩阵，确定同一列的功率区块为优化目标，保证了相同列的功率区块具有相似的功率，在保证接收端正常解调的前提下，能够实现各用户在各子载波上对应的功率区块实现功率优化；2、本专利技术的注水功率分配优化方法，通过终端反馈信息，为其更新分配合适的功率区块，在保证接收端正常解调的前提下，能够简化NOMA系统的功率分配过程，提高功率分配优化速度；3、本专利技术的注水功率分配优化方法，将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，能够避免现有算法因存在负功率而影响NOMA系统正常工作的问题；4、本专利技术的注水功率分配优化方法，在满足NOMA系统的工作原理、保证接收端正常解调的基础上，能够实现各用户在各子载波上的功率分配的快速及优化，提高整个通信系统的性能。附图说明图1是本专利技术的方法流程示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例对本专利技术做进一步详细的描述。如图1所示，本专利技术公开的适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，包括如下步骤：S1：构建子载波功率分配矩阵；S11：对于每个子载波，构建功率区块向量；基于NOMA系统的工作原理，对于M个用户中任意一个用户m∈{1，2，…，M}，其所接收到的信号ym是所有用户的信号经过信道衰减后形成的叠加信号，表示为：其中，sj为发送给用户j的信号，j∈{1，2，…，M}，P为基站信号发送总功率，αj为用户j的功率分配系数，nm为附加噪声，hm为基站到用户m的信道增益，其计算公式为：其中，gm为瑞利信道增益，dm为基站到用户m的距离，γ为衰减因数。在接收端，采用NOMA串行干扰消除(SIC)方法进行信号解码。SIC接收机根据接收的各信号，按照功率从大到小排序，从各信号中选择出功率最强的信号进行检测，对最强的信号进行重构后，从总信号中减去重构出的信号，如此循环上述检测、重构、去除过程，直到检测出发送给终端(用户m)的信号为止。检测到发送给用户m的信号后，比用户m的信号弱的用户{m+1，M}的信号不再检测，从而无法去除，则这部分信号对于用户m的信号成为噪声，这样，10用户m能够达到的速率Rm为：其中，为附加噪声的方差，pm为分配给用户m的功率。根据上述SIC的原理，NOMA系统的功率分配必须保证同一子载波上的所有用户在接收端具有一定的功率差值，否则SIC接收机将无法进行识别，从而不能正常解调。基于上述原理，基站根据其覆盖范围的状况，结合本小区用户分布及用户数量M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块，每个用户占用子载波i上的一个功率区块，对于每个子载波，构建如下功率区块向量：Di＝{Di1，Di2，...，DiM}(4)其中，为保证接收端的SIC接收机能够正确解调，定义|Dij-Di(j-1)|＞δij，δij为系统设定的第j∈{2，M}个功率区块与前一个功率区块的保护功率差值。S12：构建子载波功率分配矩阵根据每个子载波的功率区块向量，构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：其中，Dik表示在子载波i上，用户k分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}，k∈{1，2，...，M}。S2：基于子载波功率分配矩阵，进行线性注水功率分配优化本专利技术通过对每个子载波划分功率区块，对不同子载波的相同功率区块进行注水功率分配优化，方法具体本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，包括：根据用户数M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块；构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：

【技术特征摘要】
1.一种适用于5G网络NOMA系统的注水功率分配优化方法，其特征在于，包括：根据用户数M，将子载波i的功率Pi划分成M个功率区块；构建以N个子载波为行、M个用户的功率区块为列组成的子载波功率分配矩阵：其中，Dij表示在子载波i上，用户k分配的功率区块，i∈{1，2，…，N}，k∈{1，2，...，M}；确定功率分配优化目标为在第k个功率区块获得子载波i的最大传输速率，采用线性注水功率分配算法计算同一子载波上各功率区块的功率，包括：将未分配的功率区块的功率分配为0，将已分配的功率区块中信噪比最差的功率分配为接收端解调所需最小功率，剩余的功率通过以下公式计算得到：其中，hj为基站到用户j的信道增益，m为用户m，pj为第j个子载波上分配...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈殿勇，赵德胜，
申请(专利权)人：大唐高鸿信息通信研究院义乌有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33