一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法组成比例

本发明专利技术公开了一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，该方法按以下步骤进行：1）建立系统模型，分析处于边缘区域的次级用户的通信情况；2）建立目标优化模型；3）求解目标优化问题，对次级用户的最大信息传送速率和主用户基站的发送功率进行优化。本发明专利技术提出的目标函数是一个标准的凸优化问题，可以直接求解。本发明专利技术可以在确保主用户通信质量的前提下，研究次级用户发射端和中继节点间的最优功率分配问题，实现次级用户吞吐量的最大化。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法
本专利技术涉及无线通信领域，具体是涉及一种基于非正交多址接入技术的认知无线电网络的功率分配方法。
技术介绍
非正交多址接入技术(NOMA)和认知无线电技术都可以有效提高频谱效率和用户的传输速率。随着移动通信的迅速发展，无线数据业务量呈爆炸式增长，这就需要频谱效率更高，速率更快的无线网络来满足传输需求。将非正交多址接入技术(NOMA)应用于Underlay频谱共享模式下的认知无线电网络中可以大幅度提高系统的吞吐量以及频谱效率。然而这样的通信方式中，因为感知基站会对主用户产生干扰，因此感知基站必须使上述干扰小于干扰门限，以免影响主用户通信。但如果感知基站的发射功率过小，边缘区域的次级用户的信噪比太小，达不到目标速率则会发生中断，影响系统的通信质量。
技术实现思路
鉴于上述现有技术的不足，本专利技术的目的旨在提出一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，而且该认知无线电网络还基于非正交多址接入技术实现。为了实现以上目标，本专利技术采用的技术方案为：一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、建立基于非正交多址接入的Underlay频谱共享模式下的认知无线电网络的下行链路模型，认知基站在保证主用户的通信质量在一定的前提下，将次级用户信号传送到中继，中继使用非正交多址进行扩大转发次级用户信号给次级用户；认知无线电网络分析中继和次级用户接收的信号；步骤二、建立优化问题模型，以次级用户的吞吐量最大化为优化目标，并以保证认知基站、中继的传输功率，及次级用户的最低信噪比作为优化条件；步骤三、求解优化问题，通过功率分配因子和信道状况实现次级用户的有效吞吐量的优化目标。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤一所述中继接收的信号为：其中为认知基站面向中继之间衰落信道的衰落系数，a1和a2分别是次级用户1和次级用户2的功率分配系数，且a1+a2＝1，ps为认知基站的发送功率，s1和s2分别是认知基站发送给次级用户1和次级用户2的信号，n为均值为0、方差为1的加性高斯白噪声，sp是主用户基站发射的信号，IT是大尺度路径损耗，且α是路径损耗指数，dp,R是主用户基站和中继之间的距离。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤一所述次级用户1接收的信号为：所述次级用户2接收的信号为：其中G为中继的放大因子，和分别为中继分别面向次级用户1、次级用户2之间衰落信道的衰落系数，nR为主用户基站对中继的干扰和中继上的加性高斯白噪声功率之和，n为均值为0、方差为1的加性高斯白噪声，Ip1，Ip2分别为大尺度路径损耗，且α是路径损耗指数，dp,i是主用户基站和次级用户i之间的距离，i＝1或2。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤二所述认知基站、中继的传输功率分别为：其中，Ip表示主用户的干扰门限，psmax，pRmax分别表示认知基站和中继的最大传输功率。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤二中所述次级用户的信噪比分别为：其中hCR,hR1,hR2分别表示认知基站到中继、中继到次级用户1和次级用户2的信道功率增益，pR为中继的发射功率，σ1和σ2分别表示次级用户1和次级用户2受到主用户基站的干扰和次级用户上的加性高斯白噪声功率之和。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤二所述优化目标的函数表示为：其中γ2，γ2分别为次级用户1和次级用户2的最低信噪比。作为本专利技术功率分配方法进一步的细化方案，步骤三所述对优化目标进行求解包括步骤：步骤a)、简化优化目标的函数；步骤b)、对简化后的优化目标函数二次优化得；步骤c)、对进行分析，当(如果大于，则为单调增函数，分析情况类似)时，优化目标函数为单调递减函数，a2的取值范围为：则当时，次级用户的吞吐量达到最大值。本专利技术采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：(1)本方法中的主用户分布运用泊松分布方法，使系统模型更加贴近实际运用；(2)本方法基于“吞吐量最大”的原则，在不发生中断的前提下，得到了小区间次级用户之间最优的功率分配因子，有效地提高了系统吞吐量。附图说明图1为本专利技术基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法的流程图。图2为本专利技术对应上述功率分配方法的实施系统模型图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施方式对本专利技术进行详细描述。本专利技术提出了在次级用户在满足最低传输速率要求的基础上，通过动态调整功率分配因子，对感知基站和中继的功率进行控制，可以有效地提高次级用户的吞吐量。如图1至图2所示，本专利技术实施例提供的一种基于非正交多址接入技术的基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法的流程图及其实施系统模型图，该方法包括以下步骤：步骤一：建立基于非正交多址接入技术的Underlay频谱共享模式下的认知无线电网络的下行链路模型，并分析中继和次级用户接收的信号。系统运行过程为：感知基站在保证主用户的通信质量在一定的前提下，将次级用户信号传送到中继，中继使用非正交多址技术进行扩大转发次级用户信号给次级用户。如图2所示，在Underlay-NOMA系统中，认知网络由一个主用户基站(PBS)，一个认知基站(CBS)，一个放大中继器(R)，一群主用户(PUs)和两个次级用户(SUs)组成。主用户基站(PBS)为主用户(PUs)提供通信。主用户随机分布在一个二维平面，服从泊松分布。第K个主用户与认知基站(CBS)之间的衰落信道表示为h'k。主用户基站(PBS)的发射功率为p。在认知无线电网络的边缘区域里，有两个次级用户，分为表示为次级用户1(SU1)和次级用户2(SU2)。认知基站(CBS)先向扩大中继器R发送恒定功率为ps的混合信号，信号s如下所示：a1和a2分别是次级用户1(SU1)和次级用户2(SU2)的功率分配系数，且a1+a2＝1。s1和s2则是认知基站(CBS)发送给次级用户1(SU1)和次级用户2(SU2)的信号。认知基站(CBS)和扩大中继器(R)之间的衰落信道的衰落系数表示为：认知基站和主用户之间的衰落信道的衰落系数表示为：扩大中继器R和主用户之间的衰落信道的衰落系数表示为：扩大中继器R和次级用户1(SU1)，次级用户2(SU2)之间的衰落信道的衰落系数分别表示为：假设次级用户2的信道条件优于次级用户1，即两者的信道功率增益可以表示为：hR1≤hR2(2)，设信道功率增益根据NOMA原理可知，功率分配因子a1≥a2。在扩大中继器(R)这边接收的信号为：n为均值为0，方差为1的加性高斯白噪声。sp是主用户基站(PBS)发射的信号，IT是大尺度路径损耗，其中：α是路径损耗指数，dp,R是主用户基站(PBS)和扩大中继器(R)之间的距离。为了简单描述，本专利技术将主用户基站(PBS)对扩大中继器(R)的干扰和扩大中继器(R)上的加性高斯白噪声功率之和定义为：那么，式(3)可以变为：设定扩大中继器处的发射功率为pR，则：因此可以得到放大因子G：为了不影响主用户的通信质量，认知基站(CBS)和扩大中继器(R)的传输功率必须满足：式中，Ip表示主用户PU的干扰门限，psmax，pRmax分别表示认知基站(CBS)和扩大中继器(R)的最本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、建立基于非正交多址接入的Underlay频谱共享模式下的认知无线电网络的下行链路模型，认知基站在保证主用户的通信质量在一定的前提下，将次级用户信号传送到中继，中继使用非正交多址进行扩大转发次级用户信号给次级用户；认知无线电网络分析中继和次级用户接收的信号；步骤二、建立优化问题模型，以次级用户的吞吐量最大化为优化目标，并以保证认知基站、中继的传输功率，及次级用户的最低信噪比作为优化条件；步骤三、求解优化问题，通过功率分配因子和信道状况实现次级用户的有效吞吐量的优化目标。

【技术特征摘要】
1.一种基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，其特征在于包括如下步骤：步骤一、建立基于非正交多址接入的Underlay频谱共享模式下的认知无线电网络的下行链路模型，认知基站在保证主用户的通信质量在一定的前提下，将次级用户信号传送到中继，中继使用非正交多址进行扩大转发次级用户信号给次级用户；认知无线电网络分析中继和次级用户接收的信号；步骤二、建立优化问题模型，以次级用户的吞吐量最大化为优化目标，并以保证认知基站、中继的传输功率，及次级用户的最低信噪比作为优化条件；步骤三、求解优化问题，通过功率分配因子和信道状况实现次级用户的有效吞吐量的优化目标。2.根据权利要求1所述基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，其特征在于：步骤一所述中继接收的信号为：其中为认知基站面向中继之间衰落信道的衰落系数，a1和a2分别是次级用户1和次级用户2的功率分配系数，且a1+a2＝1，ps为认知基站的发送功率，s1和s2分别是认知基站发送给次级用户1和次级用户2的信号，n为均值为0、方差为1的加性高斯白噪声，sp是主用户基站发射的信号，IT是大尺度路径损耗，且α是路径损耗指数，dp,R是主用户基站和中继之间的距离。3.根据权利要求1所述基于NOMA技术的认知无线电网络的功率分配方法，其特征在于，步骤一所述次级用户1接收的信号为：所述次级用户2接收的信号为：其中G为中继的放大因子，和分别为中继分别面向次级用户1、次级用户2之间衰落信道的衰落系数，nR为主...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘甦，汤嘉诚，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32