NOMA系统中的功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了NOMA系统中一种最大化最低用户速率的功率分配方法，适用于包括1个基站和2K个用户的单天线下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。基站根据信道条件以及每个用户的速率需求计算每个用户所需的最低功率以及每个簇所需的最低功率，推导每个簇的用户最低信干噪比与该簇的总功率之间的关系，以每个簇所需的最低功率以及所有簇需要的总功率作为约束条件，建立使得最低用户速率最大化的功率分配优化问题，在求解该问题的过程中，首先为每个簇分配满足速率需求的初始功率，然后通过多次调整部分簇的功率得到用户最低信干噪比最大化时每个簇的功率，然后为每个用户分配功率。

【技术实现步骤摘要】
NOMA系统中的功率分配方法
本专利技术属于通信领域，尤其涉及NOMA系统中的功率分配方法。
技术介绍
移动通信中的多址技术包括时分多址、频分多址、码分多址和空分多址，分别对时域、频域、码域和空间资源进行复用，不但能容纳更多的用户，还提高了系统传输速率。2014年提出了非正交多址接入(Non-orthogonalMultipleAccess,NOMA)通过功率域复用，进一步提高了频谱效率，在学术界和工业界获得了广泛的关注。NOMA系统中，将用户分为多个簇，每个簇至少包含两个用户。同一簇的用户占用相同的时频资源。同一个簇内信道较好的用户称为近用户，信道较差的用户称为远用户。对于下行链路而言，基站为近用户分配较低的功率，为远用户分配较高的功率，然后将发送给同一簇的两个用户的信号叠加在一起并且发送出去。近用户首先检测远用户的期望接收信号，并且消除这些信号对其接收信号造成的干扰，然后再检测自身的期望接收信号。远用户直接检测期望接收的信号。NOMA系统中，合理地功率分配能满足用户的速率需求，提高吞吐量，是NOMA中的关键技术之一。国内外很多学者对NOMA中的功率分配方法进行了研究。这些研究中，大多假设基站为每个簇分配相等的功率，以最大化系统总速率或吞吐量为目标为每个用户分配功率。然而，每个簇中的用户的信道条件差别甚大，信道条件较好的簇需要少量的功率就能满足用户的速率需求，信道条件较差的簇需要较高的功率才能满足用户的速率需求，因此若为每个簇分配相等的功率，不但会造成部分簇内功率资源的浪费，还可能无法满足部分用户的速率需求。此外，若功率分配的目标是最大化系统总速率或吞吐量，则会为信道好的用户分配较高的功率且为信道差的用户分配少量的功率，这样会造成资源分配的不均匀，部分用户的服务质量较差。
技术实现思路
综上所述，本专利技术提出了NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和2K个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。实现本专利技术的技术思路是：基站根据信道条件以及每个用户的速率需求计算每个用户所需的最低功率以及每个簇所需的最低功率，推导每个簇的用户最低信干噪比与该簇的总功率之间的关系，以每个簇所需的最低功率以及所有簇需要的总功率作为约束条件，建立使得最低用户速率最大化的功率分配优化问题，在求解该问题的过程中，首先为每个簇分配满足速率需求的初始功率，然后通过多次调整部分簇的功率得到用户最低信干噪比最大化时每个簇的功率，然后为每个用户分配功率。本专利技术的技术方案是，NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和2K个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，步骤如下：A，基站根据自身到2K个用户的信道将用户分簇，每个簇包含两个用户，共分为K个簇，分别用uk1和uk2表示第k个簇的用户，k＝1,2,…,K，基站到uk1和uk2的信道分别为hk1和hk2，|hk1|≥|hk2|，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，分别用pk1和pk2表示基站为uk1和uk2分配的功率，pk＝pk1+pk2，pk是基站为第k个簇分配的总功率，基站根据信道计算uk1译码自身期望接收信号时的信干噪比sk1，基站根据信道计算uk2译码自身期望接收信号时的信干噪比sk2，K是簇的总数，σ2是用户接收到的噪声的方差；C，基站根据uk1要求的最低单位带宽速率rk1得到uk1所需的功率满足ak2是uk1的最低单位带宽速率需求rk1对应的信干噪比，基站根据uk2要求的最低单位带宽速率rk2得到uk2所需的功率满足ak2是uk2的最低单位带宽速率需求rk2对应的信干噪比，K是簇的总数；D，基站根据步骤C得到的uk1和uk2所需的最低功率以及pk＝pk1+pk2计算得到第k个簇所需的最低功率pk0，K是簇的总数；E，令vk是第k个簇内两个用户的信干噪比的最小值，推导vk与该簇的总功率pk的关系可得，其中，K是簇的总数，△k1是ak1>ak2且uk1和uk2的速率相同时该簇所需的最低功率，△k2是ak1≤ak2且uk1和uk2的速率相同时该簇所需的最低功率；F，基站设置总功率建立使得2K个用户中最低速率最大化的功率分配优化问题，s.t.C1:C2:其中，约束条件C1表示基站的总功率为Pmax，约束条件C2表示为第k个簇分配的功率不能低于该簇所需的最低功率，否则无法满足第k个簇内用户的速率需求，pk′是为第k个簇分配的最优功率，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；G，基站求解步骤F中的优化问题，得到pk′，k＝1,2,…,K，K是簇的总数；H，根据步骤G求得的pk′，k＝1,2,…,K，为每个用户分配功率，分别用pk1′和pk2′表示为uk1和uk2分配的功率，若ak1>ak2且pk′≤△k1，若ak1>ak2且pk′>△k1，若ak1≤ak2且若ak1≤ak2且pk′≤△k2，进一步，所述步骤G具体包括：G1，令令pk＝pk0+β，用minrate表示最小的信干噪比，令minrate＝0且i＝0，令矩阵U为空矩阵，k＝1,2,…,K，K是簇的总数，i表示迭代次数，U的每行用来存放每次迭代过程中的功率；G2，根据pk计算vk，k＝1,2,…,K，K是簇的总数，令mv＝min{vk,k＝1,2,…,K}，若mv大于minrate，令index＝0且执行步骤G3及其后面的步骤，若mv小于等于minrate，则已经找出了最优功率，U(i-1,k)就是为第k个簇分配的功率，即pk′＝U(i-1,k)，无需执行步骤G3；G3，令i＝i+1且U(i,k)＝pk，k＝1,2,…,K，令集合V为空集，将vk放在集合V中，找出V中最小的元素对应的下标，用j表示，令pj＝pj+θ，θ是大于0的正数且θ<β，θ的取值可调整，K是簇的总数；G4，找出V中的最大的元素对应的下标，用m表示，若pm0+θ<pm，令pm＝pm-θ且index＝1，若pm0+θ≥pm，从V中删除vm，再次执行该步骤，直到index＝1；G5，令minrate＝min{vk,k＝1,2,…,K}，再次执行步骤G2、步骤G3、步骤G4和G5，直至找到最优的功率分配。有益效果：本专利技术与已有的NOMA中的功率分配方案相比，本专利技术公开的方法不再为每个簇分配相同的功率，根据总功率、用户的信道条件和用户速率需求这三个因素为用户分配功率，在满足用户速率需求的同时，使得最低的用户速率达到最大。附图说明图1是本专利技术实施例的系统模型；图2是本专利技术的流程图；图3是本专利技术的求解优化问题的流程图。具体实施方式下面给出本专利技术的一种实施例，对本专利技术做进一步详细的说明。考虑NOMA的下行系统，如图1所示，包含1个基站和2K个用户，基站和用户都配置单根天线。用户被分为K个簇，每个簇包含两个用户，分别用uk1和uk2表示第k个簇的用户，假定uk1是近距离用户，uk2是远距离用户。基站到uk1和uk2的信道增益分别为hk1和hk2，|hk1|≥|hk2|。基站为第k个簇分配的功率为pk，为uk1和uk2分配的功率分别为pk1和pk2，pk＝pk1+pk2。基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交。分别用yk1和yk2表示uk1和uk2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和2K个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线，且基站和用户都配置单天线，其特征在于：包括如下步骤：A，基站根据自身到2K个用户的信道将用户分簇，每个簇包含两个用户，共分为K个簇，分别用uk1和uk2表示第k个簇的用户，k＝1,2,…,K，基站到uk1和uk2的信道分别为hk1和hk2，|hk1|≥|hk2|，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，分别用pk1和pk2表示基站为uk1和uk2分配的功率，pk＝pk1+pk2，pk是基站为第k个簇分配的总功率，基站根据信道计算uk1译码自身期望接收信号时的信干噪比sk1，

【技术特征摘要】
1.NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和2K个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线，且基站和用户都配置单天线，其特征在于：包括如下步骤：A，基站根据自身到2K个用户的信道将用户分簇，每个簇包含两个用户，共分为K个簇，分别用uk1和uk2表示第k个簇的用户，k＝1,2,…,K，基站到uk1和uk2的信道分别为hk1和hk2，|hk1|≥|hk2|，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，分别用pk1和pk2表示基站为uk1和uk2分配的功率，pk＝pk1+pk2，pk是基站为第k个簇分配的总功率，基站根据信道计算uk1译码自身期望接收信号时的信干噪比sk1，基站根据信道计算uk2译码自身期望接收信号时的信干噪比sk2，K是簇的总数，σ2是用户接收到的噪声的方差；C，基站根据uk1要求的最低单位带宽速率rk1得到uk1所需的功率满足ak2是uk1的最低单位带宽速率需求rk1对应的信干噪比，基站根据uk2要求的最低单位带宽速率rk2得到uk2所需的功率满足ak2是uk2的最低单位带宽速率需求rk2对应的信干噪比，K是簇的总数；D，基站根据步骤C得到的uk1和uk2所需的最低功率以及pk＝pk1+pk2计算得到第k个簇所需的最低功率pk0，K是簇的总数；E，令vk是第k个簇内两个用户的信干噪比的最小值，推导vk与该簇的总功率pk的关系可得，其中，K是簇的总数，△k1是ak1>ak2且uk1和uk2的速率相同时该簇所需的最低功率，△k2是ak1≤ak2且uk1和uk2的速率相同时该簇所需的最低功率；F，基站设置总功率建立使得2K个用户中最低速率最大化的功率分配优化问题，其中，约束条件C1表示基站的总功率为Pmax，约束条件C2表示为第k个簇分配的功率不能低于该簇所需的最低功率，否则无法满足...

【专利技术属性】
技术研发人员：田心记，李晓静，
申请(专利权)人：田心记，
类型：发明
国别省市：河南,41