基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法组成比例

本发明专利技术属于移动通信技术领域，特别涉及一种基于非正交多址接入的认知无线电能效优化的功率分配方法，包括根据每个主用户的干扰功率约束确定子信道最大传输功率的消耗率、根据每个复用的认知用户服务质量约束确定子信道最小传输功率的消耗率；以最大化系统能效为优化目标、以满足子信道最大传输功率的消耗率和最小传输功率消耗率，得到能效优化模型；基于凸差规划和归一化求解出子信道内认知用户的功率分配系数；采用charnes cooper变换将分式规划问题转化为一个等效的凸问题，利用KKT条件和拉格朗日乘子法求解出子信道内最优功率消耗；本发明专利技术在保证认知用户的服务质量和系统公平的前提下，平均能效性能优于分数阶功率分配方法。

【技术实现步骤摘要】
基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法
本专利技术属于移动通信
，特别涉及一种基于非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess，NOMA)的认知无线电能效优化的功率分配方法。
技术介绍
随着各种移动设备的大范围使用，当前的无线网络面临着进一步提升网络容量和可用频谱资源短缺的问题。然而到目前为止，静态的频谱资源分配导致严重的频谱短缺问题。因此为满足移动业务和用户连接的大量增长，因此提出了认知无线电技术。认知无线电技术通过允许认知用户(未授权用户)以某种方式接入主用户(已授权用户)的频谱进一步地提高系统性能。在认知无线电中，认知用户接入主用户频谱的方式有2种，一种是机会式，认知用户只有检测到主用户空闲时才能占用其频谱，因此需要考虑当发生漏检和错误检测时，认知用户功率对主用户功率的干扰；另一种是频谱接入式，认知用户和主用户共享同一频谱，但认知用户的接入用户数和发射功率受到主用户的最大干扰功率限制的约束。以上2种接入方式均需要考虑认知用户功率对主用户通信造成的干扰。因此为了提高认知网络的性能，功率控制问题对认知无线网络尤其重要。当前，全世界整体能量消耗中，信息与通信技术所消耗的能量约占5％，能耗问题正成为社会经济发展的主要问题之一，所以如何在无线网络中提高能效成为一个重要的问题。在下一代通信中，非正交多址(non-orthogonalmultipleaccess，NOMA)有望成为最有潜力的一种接入技术。因此，将认知无线电与NOMA技术相结合并进行讨论是一种必然的趋势。为了进一步提高认知无线电网络的能效，将NOMA技术应用到频谱共享接入模式下的认知无线电网络中，其中认知用户以NOMA的方式的复用到主用户所在的子信道上。由于NOMA是一种通过功率域复用的多址技术，复用用户可通过不同的功率值在接收端区分目标信号和干扰信号，所以可通过功率分配算法进一步提高基于NOMA的认知无线电网络能效。传统的功率分配方法包括，全搜索算法，固定功率分配和分数阶功率分配算法。全搜索算法性能最优，但是复杂度极高；固定功率算法和分数阶功率分配算法则以较低的算法性能换取较低的算法复杂度。
技术实现思路
针对上述问题，本专利技术提出一种基于非正交多址接入的认知无线电能效优化的功率分配方法，包括：S1、根据每个主用户的干扰功率约束确定子信道最大传输功率的消耗率，根据每个复用的认知用户服务质量约束确定子信道最小传输功率的消耗率；S2、以最大化系统能效为优化目标，以满足子信道最大传输功率的消耗率和子信道最小传输功率的消耗率为条件得到能效优化模型；S3、基于凸差规划和归一化求解出子信道内认知用户的功率分配系数；S4、采用charnescooper变换将分式规划问题转化为一个等效的凸问题，利用KKT条件和拉格朗日乘子法求解出子信道内最优功率消耗；S5、基于子信道内最优功率分配系数和最优功率消耗确定子信道最优能效值，将认知基站内所有子信道最优能效之和作为系统的最优能效值。优选的，所述子信道最大传输功率的消耗率包括其中，表示子信道最大传输功率的消耗率，gm为认知用户基站到主用户m的信道增益，Pm表示基站分配给该子信道的功率，Im表示主用户可忍受的干扰功率限制。优选的，子信道最小传输功率的消耗功率表示为：其中，表示子信道最小传输功率的消耗功率，表示子信道m上认知基站分配给认知用户i的功率分配系数的最小值，L表示认知用户数量。优选的，子信道m上认知基站分配给认知用户i的功率分配系数的最小值表示为：其中，Hi,m表示认知用户i在子信道m上的等效信道增益，Pm表示基站分配给子信道m的功率，Rmin表示认知基站为保证认知用户的通信质量所要求的子信道m上认知用户i的最小吞吐量值。优选的，等效子信道吞吐量函数表示为：其中，Rm表示等效的子信道m的吞吐量，αj,m子信道m上认知基站分配给认知用户j的功率分配系数，M表示主用户数量，L表示认知用户数量。优选的，所述能效优化模型包括：其中，Pm表示基站分配给子信道m的功率，θm表示子信道m上认知用户的功率消耗，Pc表示固定电路损耗。优选的，步骤S4包括根据凸差规划将最大化功率系数问题优化为最小化两个凸函数的差问题，求解第1个认知用户～第L-1个认知用户的最优功率分配系数，进而通过归一化公式求解出第L个用户的最优功率分配系数，最小化两个凸函数的差问题表示为：第L个用户的最优功率分配系数表示为：其中，αi,m*表示子信道m上认知用户i的最优功率分配系数，θm*表示子信道m上认知用户的最优功率消耗，Q(k)(α)表示第k次迭代时前L-1个用户的吞吐量，F(α)表示在没有同一子信道信号干扰情况下的前L-1个用户的吞吐量的负值，G(α(k))表示在没有同一子信道信号干扰情况下的后L-1个用户的吞吐量负值，表示G(α(k))的一阶导函数在α(k)处的值，α＝[α1,m,α2,m,...,αL-1,m]T表示前L-1个用户的功率分配系数，α(k)表示第k次迭代的算法初始值。优选的，步骤S4包括根据步骤S3得到的最优的功率分配系数代入能效优化模型，采用Charnes-Cooper变换将能效优化模型的分式规划问题转化为一个等效的凸问题，进而利用卡罗需-库恩-塔克KKT条件和拉格朗日乘子法，求解该等效的凸问题得出子信道内最优功率消耗率，引入两个变量y、t，令y＝tθm，此时将等效的凸问题表示为：其中，表示在最优功率的分配系数处的凸问题的全局最优解，为以变量y、t表示的子信道m内认知用户i的最优功率的分配系数。本专利技术在认知NOMA网络中基于能效的功率分配算法与分数阶功率分配方法相比，在保证认知用户的服务质量和系统公平的前提下，本专利技术的分配方法的平均能效性能优于分数阶功率分配方法。附图说明图1为本专利技术的基于NOMA的认知无线电能效功率分配算法下行链路模型图；图2为本专利技术的能效优化功率分配算法的流程图；图3为本专利技术平均能效和认知基站总功率的关系图。具体实施方式为使本专利技术的要解决的技术问题、技术有点和技术成效更佳清晰，以下将结合附图对本专利技术进行进一步说明，但是不作为本专利技术的限定。本专利技术还可通过不同的实施方式进行应用，对于专利技术中不同的观点和应用，在符合本专利技术基本精神下可进行合适的改变。本专利技术一种基于非正交多址接入的认知无线电能效优化的功率分配方法，如图2，包括：S1、根据每个主用户的干扰功率约束确定子信道最大传输功率的消耗率，根据每个复用的认知用户服务质量约束确定子信道最小传输功率的消耗率；S2、以最大化系统能效为优化目标，以满足子信道最大传输功率的消耗率和子信道最小传输功率的消耗率为条件得到能效优化模型；S3、基于凸差规划和归一化求解出子信道内认知用户的功率分配系数；S4、采用charnescooper变换将分式规划问题转化为一个等效的凸问题，利用KKT条件和拉格朗日乘子法求解出子信道内最优功率消耗；S5、基于子信道内最优功率分配系数和最优功率消耗确定子信道最优能效值，将认知基站内所有子信道最优能效之和作为系统的最优能效值。图1给出了认知NOMA网络的下行链路模型图，在本专利技术实施例中，考虑在认知NOMA网络中认知用户以频谱共享模式接入主用户频谱，认知用户基站以单天线的方式在M个主用户已授权的子信道上传输N个认本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，包括：S1、根据每个主用户的干扰功率约束确定子信道最大传输功率的消耗率，根据每个复用的认知用户服务质量约束确定子信道最小传输功率的消耗率；S2、以最大化系统能效为优化目标，以满足子信道最大传输功率的消耗率和子信道最小传输功率的消耗率为条件得到能效优化模型；S3、基于凸差规划和归一化求解出子信道内认知用户的功率分配系数；S4、采用查尔斯库珀charnes cooper变换将分式规划问题转化为一个等效的凸问题，利用KKT条件和拉格朗日乘子法求解出子信道内最优功率消耗；S5、基于子信道内最优功率分配系数和最优功率消耗确定子信道最优能效值，将认知基站内所有子信道最优能效之和作为系统的最优能效值。

【技术特征摘要】
1.基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，包括：S1、根据每个主用户的干扰功率约束确定子信道最大传输功率的消耗率，根据每个复用的认知用户服务质量约束确定子信道最小传输功率的消耗率；S2、以最大化系统能效为优化目标，以满足子信道最大传输功率的消耗率和子信道最小传输功率的消耗率为条件得到能效优化模型；S3、基于凸差规划和归一化求解出子信道内认知用户的功率分配系数；S4、采用查尔斯库珀charnescooper变换将分式规划问题转化为一个等效的凸问题，利用KKT条件和拉格朗日乘子法求解出子信道内最优功率消耗；S5、基于子信道内最优功率分配系数和最优功率消耗确定子信道最优能效值，将认知基站内所有子信道最优能效之和作为系统的最优能效值。2.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，所述子信道最大传输功率的消耗率包括：其中，表示子信道最大传输功率的消耗率，gm为认知用户基站到主用户m的信道增益，Pm表示基站分配给该子信道的功率，Im表示主用户可忍受的干扰功率限制。3.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，子信道最小传输功率的消耗功率表示为：其中，表示子信道最小传输功率的消耗功率，表示子信道m上认知基站分配给认知用户i的功率分配系数的最小值，L表示认知用户数量。4.根据权利要求3所述的基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，子信道m上认知基站分配给认知用户i的功率分配系数的最小值表示为：其中，Hi,m表示认知用户i在子信道m上的等效信道增益，Pm表示基站分配给子信道m的功率，Rmin表示认知基站为保证认知用户的通信质量所要求的子信道m上认知用户i的最小吞吐量值。5.根据权利要求1所述的基于非正交多址接入的认知无线电能效功率分配方法，其特征在于，所述能效优化模型包括：其中，Pm表示基站分配给子信道m的功率，θm表示子信道m上认知用户的功率消耗，M表示主用户数量，Rm表示等效子信道吞吐量，Pc表示固定电路损耗。6.根据权利要求5所述的基于非正交多址接入的认知无线电能...

【专利技术属性】
技术研发人员：鲜永菊，周梦园，吴广富，李云，蔡丽娟，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50