一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法组成比例

本发明专利技术涉及一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，属于移动通信领域。该方法在NOMA系统下行链路不完美信道条件下，根据信道状态信息获得切片用户与RRH之间的宽带信干噪比，判断用户与RRH关联的策略；根据用户队列状态信息和信道状态信息使网络切片中多个用户在资源块RB的最大复用用户数范围内功率复用在同一RB上，并且在满足各个切片和用户的最低速率需求、用户时延需求、系统中断概率约束和前传链路容量约束的前提下为每个用户分配最优的功率资源。本发明专利技术在提高频谱资源利用率和网络吞吐量的同时满足切片和用户的最低速率需求和用户时延要求。

【技术实现步骤摘要】
一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法
本专利技术属于移动通信领域，涉及一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法。
技术介绍
5G网络的一个期望就是满足不同用户的服务质量(QualityofService,QoS)需求，但是随着通信行业的飞速发展，通信业务规模不断扩大，用户需求的差异性越来越大，有限的频谱资源也变得越来越紧缺。因此，利用网络虚拟化技术来实现资源共享的网络切片技术应时而生。作为5G的一项关键技术，网络切片的实质是具有灵活性且相互独立的虚拟逻辑网络，其作用是为不同应用场景中具有差异化QoS需求的用户提供特定的服务。在基于网络切片的无线资源分配中，由中国移动研究院提出的C-RAN(CloudRadioAccessNetwork)架构在实现网络负载均衡，提升边缘用户体验质量方面有独特的优势。另外，由于数据业务的爆炸式增长，为了满足5G网络海量接入、超高带宽的要求，必须要充分利用有限的频谱资源。不同于传统的时域和频域的资源分配，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)技术通过引入干扰使多个用户功率复用在同一个RB上，从而增大系统总吞吐量，提升频谱资源利用率，并在接收端利用串行干扰消除(successiveinterferencecancellation,SIC)技术消除干扰。专利技术人在研究现有技术的过程中发现其存在如下缺点：现有研究大多没有在基于网络切片的资源分配中将NOMA技术应用到C-RAN架构中，无线资源侧重考虑的都是时域和频域的资源，并没有充分利用功率域的资源，但实际应用中，利用功率资源复用可以增大系统总吞吐量，提升频谱资源利用率；大多数研究都是假设系统能获得完美信道状态信息，然而在实际网络中，基站很难获得完美D的信道状态信息(ChannelStateInformation,CSI)；没有考虑切片业务需求的多样性；大多数优化目标没有涉及到时间变量，也未考虑长时平均的优化目标。因此，本专利技术在C-RAN架构中结合NOMA技术开发功率域的资源，考虑不同切片和用户差异化的QoS需求、系统中断概率、前传链路容量等约束，设计了一种以最大化系统长时平均吞吐量为目标的联合用户关联和功率分配的方案。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，实现了最大化网络吞吐量；且在提高频谱资源利用率和网络吞吐量的同时满足切片和用户的最低速率需求和用户时延要求。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法：在NOMA系统下行链路不完美信道条件下，以实现最大化网络吞吐量为目标进行的联合用户关联和功率分配方法，具体包括以下步骤：S1：根据信道状态信息获得切片用户与RRH之间的宽带信干噪比，判断用户与RRH关联的策略；S2：根据用户队列状态信息和信道状态信息使网络切片中多个用户在资源块RB的最大复用用户数范围内功率复用在同一RB上，并且在满足各个切片和用户的最低速率需求、用户时延需求、系统中断概率约束和前传链路容量约束的前提下为每个用户分配最优的功率资源。进一步，步骤S2中：所述满足切片的最低速率需求为：保证RB给复用在其上的用户分配功率资源后各切片中所有用户达到的长期平均速率总和不小于某个下限值，其中，切片长期平均速率为：切片中所有用户的速率之和在长时间上求平均后的速率；所述满足用户的最低速率需求为：保证RB给复用在其上的用户分配的功率资源能够使该用户的速率大于该用户的最小保证比特率；所述满足用户时延需求为：保证各切片中每个用户的队列稳定，以此避免用户数据堆积而引起不必要的丢包或处理延迟，根据排队论中的Little定理，时延敏感业务的队列时延与队列的积压有关，因此保证用户的时延性能可刻画为保证队列的稳定性；所述满足系统中断概率约束为：保证在不完美信道下得到的数据速率可能会超过实际可达的最大数据速率时的概率不超过某个值；所述满足前传链路容量约束为：保证与某个RRH关联的所有用户的速率总和不超过其到BBU池的前传链路容量，以此避免与该RRH关联的用户队列在该RRH上无限极压而导致数据丢失或产生处理时延的情况。进一步，网络切片中用户在每个时隙上的缓存队列更新方式为：其中，表示切片k中的第i个用户在下一个时隙开始时的队列长度；表示切片k中的第i个用户在当前时隙开始时的队列长度；表示切片k中的第i个用户在当前时隙上新到达的数据包个数，具体根据服从参数为的泊松过程随机生成；表示切片k中的第i个用户在当前时隙上离开的数据包个数。进一步，所述各切片中每个用户的队列稳定性为：系统中所有用户队列都需要满足：其中，表示切片k中的第i个用户的时间平均长度；T表示切片k中的第i个用户队列长度的讨论周期；E表示在整个周期T内，对系统中所有切片的用户队列长度取平均值。进一步，在每个调度时隙上，为每个切片中的用户动态调整与RRH关联的策略和分配合适的功率以满足各约束条件，具体步骤为：(1)在每个调度时隙开始时，根据所述最小均方误差信道估计模型估计出所有切片中的用户当前时隙的无线信道状态信息和搜集各切片中的用户的队列缓存信息和切片虚拟队列状态信息；(2)根据所有切片中的用户与各RRH之间的信道条件得到用户与RRH关联的策略；(3)根据步骤(2)得到的用户与RRH关联的联策略计算当前时隙下为每个功率复用在RB上的系统中用户分配功率资源量；(4)经过数次迭代后，判断是否满足收敛条件；(5)如果当前用户关联和功率资源分配策略满足收敛条件，则将所述联合用户关联和功率资源分配策略通知给所有切片中的用户；(6)按照步骤(5)所述的资源分配策略，所述所有切片中的用户按照所述队列更新方式更新所述队列缓存信息和切片虚拟队列长度，并等待下一个调度时隙。进一步，在每个调度时隙上，得到所述步骤(2)中切片中的每个用户与RRH关联的策略，具体步骤为：①在当前调度时隙开始时，给定RRH的前传链路容量，根据最小均方误差信道估计模型估计出所有切片中的用户当前时隙的无线信道状态信息；②在满足RRH前传链路容量的前提下，得到所有切片中的每个用户与宽带信干噪比最大的RRH相关联。进一步，所述步骤(3)中，在每个调度时隙上，根据步骤(2)得到的用户与RRH关联的策略，计算当前时隙下为每个功率复用在RB上的系统中每个用户分配功率资源量；具体步骤为：①在当前调度时隙开始时，根据最小均方误差信道估计模型估计出所有切片中的用户当前时隙的无线信道状态信息和搜集各切片中的用户的队列缓存信息和切片虚拟队列状态信息；②初始化近似值向量、拉格朗日乘子、收敛条件和所有切片中的用户初始队列长度；③给定所有切片中的用户与RB复用策略，通过KKT条件和二分搜索法计算得到分配给所有切片中的用户的功率资源量；④根据步骤③得到的所有切片中的用户功率资源量以及拉格朗日乘子值计算用户与RB功率复用的策略；⑤更新拉格朗日乘子；⑥经过数次迭代后，判断是否满足收敛条件，如果不满足收敛条件，则重复以上步骤；若满足收敛条件，则更新近似值向量；⑦经过数次迭代后，判断是否满足收敛条件，若不满足，则重复上述步骤；否则方法结束。进一步，所述不完美信道为RRH本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于，该方法为：在NOMA系统下行链路不完美信道条件下，以实现最大化网络吞吐量为目标进行的联合用户关联和功率分配方法，具体包括以下步骤：S1：根据信道状态信息获得切片用户与RRH之间的宽带信干噪比，判断用户与RRH关联的策略；S2：根据用户队列状态信息和信道状态信息使网络切片中多个用户在资源块RB的最大复用用户数范围内功率复用在同一RB上，并且在满足各个切片和用户的最低速率需求、用户时延需求、系统中断概率约束和前传链路容量约束的前提下为每个用户分配最优的功率资源。

【技术特征摘要】
1.一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于，该方法为：在NOMA系统下行链路不完美信道条件下，以实现最大化网络吞吐量为目标进行的联合用户关联和功率分配方法，具体包括以下步骤：S1：根据信道状态信息获得切片用户与RRH之间的宽带信干噪比，判断用户与RRH关联的策略；S2：根据用户队列状态信息和信道状态信息使网络切片中多个用户在资源块RB的最大复用用户数范围内功率复用在同一RB上，并且在满足各个切片和用户的最低速率需求、用户时延需求、系统中断概率约束和前传链路容量约束的前提下为每个用户分配最优的功率资源。2.根据权利要求1所述的一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于，步骤S2中：所述满足切片的最低速率需求为：保证RB给复用在其上的用户分配功率资源后各切片中所有用户达到的长期平均速率总和不小于某个下限值，其中，切片长期平均速率为：切片中所有用户的速率之和在长时间上求平均后的速率；所述满足用户的最低速率需求为：保证RB给复用在其上的用户分配的功率资源能够使该用户的速率大于该用户的最小保证比特率；所述满足用户时延需求为：保证各切片中每个用户的队列稳定；所述满足系统中断概率约束为：保证在不完美信道下得到的数据速率可能会超过实际可达的最大数据速率时的概率不超过某个值；所述满足前传链路容量约束为：保证与某个RRH关联的所有用户的速率总和不超过其到BBU池的前传链路容量。3.根据权利要求2所述的一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于，网络切片中用户在每个时隙上的缓存队列更新方式为：其中，表示切片k中的第i个用户在下一个时隙开始时的队列长度；表示切片k中的第i个用户在当前时隙开始时的队列长度；表示切片k中的第i个用户在当前时隙上新到达的数据包个数，具体根据服从参数为的泊松过程随机生成；表示切片k中的第i个用户在当前时隙上离开的数据包个数。4.根据权利要求3所述的一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于，所述各切片中每个用户的队列稳定性为：系统中所有用户队列都需要满足：其中，表示切片k中的第i个用户的时间平均长度；T表示切片k中的第i个用户队列长度的讨论周期；E表示在整个周期T内，对系统中所有切片的用户队列长度取平均值。5.根据权利要求4所述的一种基于NOMA的网络切片动态联合用户关联和功率分配方法，其特征在于：在每个调度时隙上，为每个切片中的用户动态调整与RRH关联的策略和分配合适的功率以满足各约束条件，具体步骤为：(1)在每个...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈前斌，马润琳，杨恒，唐伦，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50