一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法技术方案

本发明专利技术请求保护一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法。在绿色通信的倡导下，保证用户传输质量，减少能量消耗和环境污染，来实现可持续发展，本发明专利技术所提供的能效优先的联合资源分配方法，以最大化系统能效为目标，提出一种基于能效的联合码本和功率的迭代分配算法，首先，假设功率固定分配，设计一个基于能效增益的码本分配方案；其次，考虑在码本分配固定的情况下，将功率分配转化为凸优化问题求解；最后迭代分配码本和功率，得到最大化能效。本发明专利技术在保证用户传输质量的同时，提升系统能效性能，对于SCMA下行系统的绿色通信具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法
本专利技术属于无线通信
，尤其涉及到稀疏码多址接入技术(SparseCodeMultipleAccess,SCMA)的一种基于能效的资源分配方案。
技术介绍
面向2020年及未来，数据流量、设备连接和业务需求呈爆炸性增长，第五代移动通信系统(5G)将满足网络灵活部署和高效运营维护的需求，大幅提升频谱效率、能源效率和成本效率，实现移动通信网络的可持续发展。绿色通信是以节能减排为目标的通信理念，其主要目的在保证用户传输质量的前提下，减少能量消耗和环境污染，来实现可持续发展。在通信网中，接入设备的增多会导致接入网损耗的增大，而接入网在整个网络中的能量消耗占比很大。因此，在绿色通信的倡导下，减小接入网的能量消耗刻不容缓。稀疏码多址接入技术(SCMA)是由华为公司提出的一种新型非正交多址接入技术。SCMA技术在提升系统吞吐量、降低系统接入时延、提升用户连接数等方面的巨大优势，非常适合未来的5G网络。与传统的OFDMA系统不同，其中一个子载波只能分配给一个用户，而SCMA系统中的一个子载波可以通过适当的码本分配在多个用户之间共享。稀疏码多址接入技术(SCMA)的优势明显，使得SCMA技术应用于大规模连接需求的5G网络中也越来越受到关注。现有研究者大多研究的是系统容量问题，较少考虑到SCMA系统中的能效问题；在考虑能效问题的时候，很多都将码本随机分配，没有考虑到码本所带来的编码和映射增益。随着未来大规模连接需求的日益增加，降低接入网的能量损耗具有重要意义。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种保证用户传输质量的同时，能有效地提升系统能效性能的SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法。本专利技术的技术方案如下：一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其包括以下步骤：步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解；步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配；步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配pk,m，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日函数求解；步骤四：联合资源分配方案：动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化。进一步的，所述步骤一中的建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：首先，建立系统能效模型。在一个单小区多用户SCMA下行系统，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M。由码本与子载波之间的对应关系um,n、码本分配sk,m和功率分配pk,m，求出下行系统中基站发射端处的总功率Pt和用户k使用码本m时的信噪比SNR，再计算出用户k使用SCMA码本m的速率Rk,m，定义系统能效η为系统总吞吐量与总消耗功率的比值，那么SCMA下行系统的能效为其中，sk,m表示码本分配，其中sk,m＝1时表示码本m分配给了用户k，否则sk,m＝0，pk,m表示的是当用户k使用码本m时所分配的功率大小，Pc表示系统电路功率，ε为功放因子，dv为子载波的最大复用次数。最大化系统能效的同时，满足上述4个限制条件，①保证基站处的总发射功率Pt不大于其最大发射功率Pmax；②保证每个用户最多分配一个SCMA码本；③保证在同一子载波上至多允许dv个用户传输数据；④保证功率分配pk,m的非负性。根据建立的问题模型，系统能效取值与离散变量sk,m和连续变量pk,m相关，这是一个NP-hard的分数规划问题，属于非凸优化问题，解决此问题相对比较复杂。本算法将该模型的离散变量和连续变量拆分为两个子问题：1)进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m；2)进行固定码本分配条件下的功率分配pk,m。进一步的，所述步骤二中进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配，具体包括：令C表示系统可用的码本集合，U表示未分配码本的用户集合，Ωk表示用户占用的码本集合，每个用户分配功率Step1:在集合C中寻找一个码本m*，使其码本m中所占用的子载波n都满足复用次数不大于dv；Step2:遍历用户，计算系统能效增益Δηk；其中，在子载波n上用户k使用码本m的功率与码本设计有关，是根据比例因子αm,n分配的；hk,n表示在子载波n上，基站到用户k的信道增益。Step3:若至少有一个用户满足系统能效增益Δηk≥0，表明该码本分配给用户后，系统能效会提升，那么将得到最大的用户k*与该码本m*匹配；若所有用户的系统能效增益Δηk＜0，则寻找最小的用户与该码本匹配；此时用户占用的码本集合Ωk＝Ωk∪{m*}，可用码本集合C＝C-{m*}，未分配码本的用户集合U＝U-{k*}；Step4：直至所有码本分配完成，最终码本分配表示为进一步的，所述步骤三中的进行固定码本分配条件下的功率分配，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，假设q为最优能效，那么原能效问题可以改写为当且仅当时F(q,pk,m)＝0，能得到最优能效q*。当优化问题为凸优化问题，故可以采用拉格朗日对偶函数解决多约束的能效优化问题。再根据Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件，即非线性规划最佳解的必要条件，计算出功率分配的最优解进一步的，所述步骤四中的联合资源分配方案，通过动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化，具体如下：(1)初始化每个用户分配的功率(功率均分)，以及迭代次数；(2)通过得到码本分配sk,m；(3)通过拉格朗日对偶函数求解得到功率分配更新拉格朗日乘子，直到拉格朗日乘子收敛；(4)通过更新码本分配sk,m；(5)重复步骤(3)、(4)，直到达到最大迭代次数或者算法收敛；此时，得到最大系统能效η。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术是在SCMA下行系统中进行研究的，一是可以提升用户接入数量，二是在满足用户传输质量要求下提出一种基于能效的资源分配方案。其中先设计一种基于能效增益的码本分配方案，再将功率模型由非凸优化转化为凸优化问题，利用拉格朗日函数求解功率分配，最后依次迭代分配码本和功率，提升了系统的能效性能，实现了绿色通信。附图说明图1是本专利技术优选实施例的系统模型示意图；图2为本专利技术优选实施例的流程示意图；具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本专利技术的一部分实施例。本专利技术解决上述技术问题的技术方案是：如图1所示：假设一个单小区多用户SCMA下行蜂窝网络，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M。为了避免小区内的同个码本的干扰，规定每个用户最多只能分配一个码本。考虑到SCMA码字的稀疏特性，可以采用消息传递算法(MPA)来检测相同子载波上的复用信号。因此，不同的码本可以被认为是正交资源，并且通过用户分配码本来实现多址接入。基于图1的系统模型，本专利技术公开了一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方案，如图2所示，基于能效的资源分配方案可以包括以下步骤：步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：1)由码本与子载波之间的对应关系um,n、码本分配sk,m和功率分本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解；步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配；步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配pk,m，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日对偶函数求解；步骤四：联合资源分配方案：动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化；通过以上几个步骤，在大规模连接需求的条件下，优化系统整体能效，最终实现绿色通信。

【技术特征摘要】
1.一种SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解；步骤二：进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m，选出能效增益最大的用户与相应码本匹配；步骤三：进行固定码本分配条件下的功率分配pk,m，将模型中把非凸优化问题转化为凸优化问题，再利用拉格朗日对偶函数求解；步骤四：联合资源分配方案：动态迭代分配码本和功率，使系统能量效率最大化；通过以上几个步骤，在大规模连接需求的条件下，优化系统整体能效，最终实现绿色通信。2.根据权利要求1所述的SCMA下行系统中基于能效的资源分配方法，其特征在于，所述步骤一中的建立SCMA下行系统的能效模型，将该优化问题分为码本分配和功率分配两个子问题求解，具体包括：首先，建立系统能效模型。在一个单小区多用户SCMA下行系统，其中包含一个基站，K个用户，子载波资源数为N，码本数目为M。由码本与子载波之间的对应关系um,n、码本分配sk,m和功率分配pk,m，求出下行系统中基站发射端处的总功率Pt和用户k使用码本m时的信噪比SNR，再计算出用户k使用SCMA码本m的速率Rk,m，定义系统能效η为系统总吞吐量与总消耗功率的比值，那么SCMA下行系统的能效为其中，sk,m表示码本分配，其中sk,m＝1时表示码本m分配给了用户k，否则sk,m＝0，pk,m表示的是当用户k使用码本m时所分配的功率大小，Pc表示系统电路功率，ε为功放因子，dv为子载波的最大复用次数；最大化系统能效的同时，满足上述4个限制条件，①保证基站处的总发射功率Pt不大于其最大发射功率Pmax；②保证每个用户最多分配一个SCMA码本；③保证在同一子载波上至多允许dv个用户传输数据；④保证功率分配pk,m的非负性；根据建立的问题模型，系统能效取值与离散变量sk,m和连续变量pk,m相关，这是一个NP-hard的分数规划问题，属于非凸优化问题，本算法将该模型的离散变量和连续变量拆分为两个子问题：1)进行固定功率分配条件下的码本分配sk,m；2)进行固定码本分配条件下的功率分配pk,m。3.根据权利要求...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁泉，代云霞，罗菊，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，重庆信科设计有限公司，
类型：发明
国别省市：重庆,50