基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法技术方案

本发明专利技术提供一种优化了系统吞吐量性能及提高系统能量利用率的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，属于通信技术领域。所述方法包括：步骤一、进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数；步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

【技术实现步骤摘要】
基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法
本专利技术涉及一种SCMA系统的功率分配方法，属于通信

技术介绍
稀疏码多址接入(SCMA)是一种新型的非正交多址接入方式，是针对于高频谱利用效率而提出来的一种高速率传输技术，该空口技术目前已被列为5G移动通信候选标准之一，相比于传统的正交多址接入技术，它具有容量高时延小传输速率快等优点，抗多径能力强，同时也克服了CDMA远近效应的不足。虽然SCMA技术在频谱效率有了很大的提升，但由于星座点更为密集，从而造成了一定程度上的误码率的下降。另外，在系统功率分配方面，目前对于SCMA的研究尚未完善，现有文献中主要采用的还是平均功率分配算法，该算法是在不考虑信道衰落情况下进行分配的，只是将总功率平均分配给各个用户，虽然实现简单，但系统吞吐量性能难以达到最优，而且系统能量利用率较低。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了解决现有平均分配功率的方法使系统吞吐量性能难以达到最优，且系统能量利用率较低的问题，本专利技术提供一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法。本专利技术的一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，所述方法包括如下步骤：步骤一：进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。优选的是，所述步骤一中，进行单用户载波间功率分配时，为了满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致，分配功率因子αn应当满足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝…＝αNps,rhs,r,N其中，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，ps,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。优选的是，所述步骤二包括如下步骤：步骤二一：建立用户组内功率分配的优化模型，设定目标函数与约束条件，选取拉格朗日乘子初值，设置迭代次数l＝1和最大迭代次数L；所述用户组内功率分配的优化模型为：R表示组内用户的数量；wr表示用户r的加权因子；表示用户r的噪声方差；C1～C3分别表示三个约束条件；Rreq表示最小数据需求速率，Pmax表示该用户组分配的最大传输功率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，ps,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量；步骤二二：利用凸优化理论对步骤一的用户组内功率分配的优化模型进行求解，获取最优分配功率表达式：λr和μr分别表示用户r中的约束条件C1的拉格朗日乘子和约束条件C2的拉格朗日乘子；[x]+＝max(0,x)；步骤二三：根据当前的拉格朗日乘子和步骤二二中的最优分配功率表达式计算用户的分配功率值，并更新拉格朗日乘子：其中，Rr(l)表示用户r在第l次迭代时的数据速率，λr(l)用户r在第l次迭代时约束条件C1的拉格朗日乘子，μr(l)表示用户r在第l次迭代时约束条件C2的拉格朗日乘子，ps,r(l)表示用户r在第l次迭代时所分配得到的功率，βr为迭代步长；步骤二四：当更新后的拉格朗日乘子收敛或者当前迭代次数达到L，则利用此时的分配功率值进行组内用户间功率分配，否则l＝l+1，转入步骤二三。优选的是，所述步骤四中，所述组间容量与分配功率的优化模型为：S表示SCMA系统中用户组的数量，as、bs和cs分别表示步骤三中拟合出二次函数的参数值，ps表示用户组s的最优分配功率；Ptot表示基站最大传输功率；表示用户组s中用户r的噪声方差；Rreq表示最小数据需求速率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，ps,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。上述技术特征可以各种适合的方式组合或由等效的技术特征来替代，只要能够达到本专利技术的目的。本专利技术的有益效果在于，本专利技术针对于单小区多用户的SCMA系统下行链路，在满足所有用户的最小速率要求下，以最大化系统总容量为目标，建立下行链路功率分配问题的最优化数学模型，并利用凸优化理论和曲线拟合方法对该优化问题进行分析求解，根据求解出的最优分配功率依次进行单用户、组内和组间的用户间的功率分配，实验效果证明，相比于各用户平均分配功率的方式，本专利技术所提的容量最大化功率分配算法在总容量上有明显提高，此外，还可以看到整个SCMA用户组的总容量随着最优分配功率的增大而相应得到提升，且系统总容量随基站发射总功率的增加而增大，本专利技术使系统吞吐量性能达到最优，且提高了系统能量利用率。附图说明图1为本专利技术的流程示意图。图2为执行步骤二后组内用户间功率分配收敛特性曲线示意图。图3为执行步骤二后组内用户间功率分配容量性能效果图。图4为执行步骤三后二次拟合后的曲线示意图。图5为执行步骤四周组间功率分配后的吞吐量性能效果图。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、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。需要说明的是，在不冲突的情况下，本专利技术中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本实施方式针对于蜂窝网络中一个单小区多用户的SCMA下行链路进行分析，该小区有一个基站和S个用户组，每个用户组中包含R个用户，共占用了N个相互正交的子载波，本实施方式中采用的过载系数为1.5，故R＝1.5N，任何一个用户均占用一个SCMA层，同时使用一套码本。用户间则相互共享层上的时频资源，从而实现多用户多址接入的目的。而码本的大小则是由码字长度和非零元素的个数共同来决定的。在SCMA系统的解码中，最大似然解码是最优的解码算法，但考虑到接收机的复杂度以及SCMA码字的稀疏特性，接收机可以通过MPA算法来实现多用户检测的功能，从而直接降低SCMA接收机的解码复杂度。理想情况下，可以认为不同SCMA层的码字间是不存在干扰的，因此分配到不同层的码字可以视为是正交的。即在理想的MPA接收和理想的同步情况下，SCMA系统中存在的的多用户干扰可以完全忽略。SCMA用户组中功率分配向量可以表示为P＝(ps,r)S×R，其中用户组s中的用户r分配得到的功率为ps,r。因此得到基站发射的总功率为：记用户组s中的用户r在该组中的子载波n上所分配的功率比例因子为αn，取值满足0<αn<1，且此时该用户的信噪比可记作：其中，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，表示子载波n上用户r的噪声功率，噪声为加性高斯白噪声。根据香农公式，用户k可以达到的理论数据速率Rs,r为：Rs,r＝log2(1+S本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。

【技术特征摘要】
1.一种基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：步骤一：进行单用户载波间功率分配，每个用户占用多个子载波，分配时需满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致；步骤二：建立用户组内功率分配的优化模型，对该优化模型进行迭代，获取最优分配功率，利用该最优分配功率，进行组内用户间功率分配；步骤三：根据步骤二获取的最优分配功率及其对应的容量，拟合出二次函数，获取二次函数的参数值；步骤四：根据获取的二次函数的参数值，建立组间容量与分配功率的优化模型，获取各组的最优分配功率，使得容量最大，根据各组的最优分配功率进行用户组间功率分配。2.根据权利要求1所述的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，其特征在于，所述步骤一中，进行单用户载波间功率分配时，为了满足同一用户占用的子载波上的容量保持一致，分配功率因子αn应当满足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝...＝αNps,rhs,r,N其中，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，ps,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量。3.根据权利要求1所述的基于最大容量的SCMA系统三级功率分配方法，其特征在于，所述步骤二包括如下步骤：步骤二一：建立用户组内功率分配的优化模型，设定目标函数与约束条件，选取拉格朗日乘子初值，设置迭代次数l＝1和最大迭代次数L；所述用户组内功率分配的优化模型为：R表示组内用户的数量；wr表示用户r的加权因子；表示用户r的噪声方差；C1～C3分别表示三个约束条件；Rreq表示最小数据需求速率，Pmax表示该用户组分配的最大传输功率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站与用户组s中的用户r之间在子载波n上的信道增益，ps,r为用户组s中的用户r所分配得到的功率n＝1,…,N，N为所述用户占用的子载波的数量；步骤二二：...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩帅，郭诚，宋志群，孟维晓，沙学军，
申请(专利权)人：哈尔滨工业大学，中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：黑龙江,23