单天线下行NOMA系统的功率分配方法技术方案

本发明专利技术提供一种单天线下行NOMA系统的功率分配方法，包括以下步骤：使用互信息公式计算得到各用户可达速率的表达式；使用Jensen不等式和积分操作将所述可达速率的表达式中的求期望操作消掉以对所述可达速率的表达式进行化简，得到近似可达速率表达式；利用所述近似可达速率表达式，得到系统优化目标函数，并最大化所述优化目标函数，从而得到功率分配结果。本发明专利技术实施例以较低的复杂度得到能使系统加权和速率最大化的功率分配结果，同时获得一定的性能增益，并且该性能增益随着信噪比的增加而增大。

Power allocation method for single antenna downlink NOMA system

The present invention provides a power allocation method for single antenna downlink NOMA system, which comprises the following steps: using mutual information formula is obtained for each user achievable rate; Jensen inequality and integral operation of the expression the achievable rate for the desired operating off to the expression of the achievable rate for Jane. The approximate rate expressions; using the approximate expression rate, obtained the optimization objective function, and maximize the objective function, so as to get the power allocation results. The embodiment of the invention obtains a power allocation result that maximizes the system weighting and rate at a lower complexity, and achieves a certain performance gain, and the performance gain increases with the increase of the signal-to-noise ratio.

【技术实现步骤摘要】
单天线下行NOMA系统的功率分配方法
本专利技术涉及无线移动通信
，尤其涉及蜂窝网无线通信系统下行数据传输，尤其涉及一种基于实际系统有限字符集约束下的单天线下行非正交多址接入技术(Non-orthogonalMultipleAccess,NOMA)系统的功率分配方法。
技术介绍
最近几年，非正交多址接入技术(Non-orthogonalMultipleAccess,NOMA)因其相较于传统的正交多址接入技术能够提供更高的频谱效率以及同时支持更多的连接数，在学术界和工业界获得了广泛的关注。在下行NOMA系统中，发送给不同用户的数据符号可以通过叠加编码共享信道资源，在接收端则使用串行干扰消除技术(SuccessiveInterferenceCancelation,SIC)以获得容量增益。通过调整给不同用户的功率，基站可以灵活地在公平性和系统总速率之间进行折中。因此，一个高效的功率分配方法对于下行NOMA系统非常关键。目前关于下行NOMA系统的功率分配已经有很多方法和结论，例如满足比例公平(ProportionalFairness，PF)的功率分配法、用于多个小区的分布式功率分配技术以及用于多天线NOMA系统的功率分配和波束赋形技术，这些技术的出现大大推动了NOMA技术在新一代无线通信系统中的运用。尽管如此，这些技术的性能却建立在一个共同的前提条件下，即各用户的输入符号满足高斯分布。信息论告诉我们，高斯输入在理论上是最优的，但是在实际通信系统中，发送的符号通常取自离散的有限字符集，即星座点集合。因此，基于高斯输入假定的功率分配法，在实际的有限字符输入系统中必然带来性能损失。
技术实现思路
有鉴于此，有必要提出一种能够降低系统性能损失的单天线下行NOMA系统的功率分配方法。一种单天线下行NOMA系统的功率分配方法，包括以下步骤：S1，使用互信息公式计算得到各用户可达速率的表达式；S2，使用Jensen不等式和积分操作将所述可达速率的表达式中的求期望操作消掉以对所述可达速率的表达式进行化简，得到近似可达速率表达式；S3，利用所述近似可达速率表达式，得到系统优化目标函数，并最大化该加权和速率，从而得到功率分配结果。进一步地，所述可达速率为各用户功率分配变量的函数。进一步地，所述优化目标函数为加权和速率的表达式。进一步地，步骤S1中的所述可达速率的表达式根据编码调制时使用的离散星座点集合、当前时刻的信道信息、基站的功率以及各用户功率比重，通过互信息公式计算得出。进一步地，步骤S3包括：将所述近似可达速率表达式乘上系统分配给各用户的可达速率权重之后求和得到所述系统优化目标函数，再以系统各用户功率分配变量为优化变量最大化所述系统优化目标函数，求解所述功率分配结果。进一步地，所述单天线下行NOMA系统包括第一用户和第二用户，所述第一用户的信道优于所述第二用户；所述第一用户可优先解出所述第二用户的数据符号，然后再解自己的数据符号；第二用户只能解自己的数据符号。本专利技术通过互信息公式计算得到离散字符集约束下精确的可达速率表达式；再使用Jensen不等式和积分操作对所述可达速率表达式中的求期望操作进行化简，将得到的近似可达速率表达式代替原始精确的可达速率表达式参与对系统加权和速率的优化，从而以较低的复杂度得到能使系统加权和速率最大化的功率分配结果。本专利技术实施例提出的方法相对传统高斯输入假设的功率分配法在中高信噪比情况下能够获得一定的性能增益，并且该性能增益随着信噪比的增加而增大。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1为本专利技术实施例的单天线下行NOMA系统功率分配方法的流程图；图2a-2d是分别使用传统高斯输入假设的功率分配法、基于离散字符集输入的功率分配法及使用图1所述方法可达的加权和速率随功率分配变量变化的比较图；图3a-3d为使用传统高斯输入假设功率分配法、基于离散字符集输入的功率分配法及使用图1所述方法的最大加权和速率随信噪比变化的比较图。具体实施方式下面将结合本专利技术实施方式中的附图，对本专利技术实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在本专利技术实施方式中使用的术语是仅仅出于描述特定实施方式的目的，而非旨在限制本专利技术。在本专利技术实施方式和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本专利技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。请参考图1，图1所示为本专利技术实施方式的单天线下行NOMA系统功率分配方法的流程图，所述方法包括步骤：S101、使用互信息公式计算得到各用户可达速率的表达式。具体的，基站根据各用户的离散星座点集合、当前时刻的信道信息、基站的功率以及各用户功率比重，通过互信息公式计算得到各用户可达速率的表达式。在本实施方式中，单天线下行NOMA系统以两个用户进行功率分配为例进行说明，分别用h1和h2来表示当前时刻第一用户和第二用户的信道，假定|h1|≥|h2|。第一用户和第二用户发送的数据符号分别用x1和x2表示，且xi，(i＝1,2)以等概率随机地取自离散字符集Xm，(i＝1,2)。对于每个离散字符集中的字符，有能量约束假定基站的总功率为P，给第一用户分配的功率比重为α,(0≤α≤1)，需要注意的是，α也可表述为功率分配变量。根据NOMA原理，在发送端两个用户的数据符号直接叠加在一起，通过信道之后，第m个用户(m＝1,2)的接收信号ym可以写成其中ωm～CN(0,σm2)为接收端的噪声。在接收端，由于第一用户的信道条件要优于第二用户，因此第一用户可以先解出第二用户的数据符号，将其从收到的信号中减掉，然后再解自己的数据符号，而第二用户只能直接解自己的数据符号。根据信息论的结论，两个用户的可达码率R1及R2分别为R1＝I(x1；y1|x2),R2＝I(x2；y2),其中I(x1；y1|x2)与I(x2；y2)表示对相应的两个变量求互信息。由于实际系统输入信号取自离散字符集，本实施方式基于等概率离散字符集输入使用互信息公式直接计算可达速率，用ID(x1；y1|x2)表示第一用户的可达速率，用ID(x2；y2)表示第二用户的可达速率，可得由此可以得到离散字符集输入下的最优功率分配(OptimalPowerAllocation,OPA)优化问题其中WD(α)＝μID(x1；y1|x2)+(1-μ)ID(x2；y2)为基于离散字符集输入所采用的优化问题的优化目标函数，即本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单天线下行NOMA系统的功率分配方法，包括以下步骤：S1，使用互信息计算得到各用户可达速率的表达式；S2，使用Jensen不等式和积分操作将所述可达速率的表达式中的求期望操作消掉以对所述可达速率的表达式进行化简，得到近似可达速率表达式；S3，利用所述近似可达速率表达式，得到系统优化目标函数，并最大化所述优化目标函数，从而得到功率分配结果。

【技术特征摘要】
1.一种单天线下行NOMA系统的功率分配方法，包括以下步骤：S1，使用互信息计算得到各用户可达速率的表达式；S2，使用Jensen不等式和积分操作将所述可达速率的表达式中的求期望操作消掉以对所述可达速率的表达式进行化简，得到近似可达速率表达式；S3，利用所述近似可达速率表达式，得到系统优化目标函数，并最大化所述优化目标函数，从而得到功率分配结果。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述可达速率为各用户功率分配变量的函数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述优化目标函数为加权和速率的表达式。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S1中的所述可达速率的表达...

【专利技术属性】
技术研发人员：王军，宋健，唐子涵，
申请(专利权)人：深圳清华大学研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：广东,44