一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法技术方案

本发明专利技术一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，属于网络功率控制领域，针对采用全双工基站同时为多个半双工下行用户和上行用户提供服务的单载波非正交多址系统的能效问题建立优化模型，然后采用分式规划和基于拉格朗日乘子的迭代算法对发射功率进行分配，以实现系统能量效率最大化。该发明专利技术所得结果提高了全双工NOMA系统的能量效率，在一定程度上，降低了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法
本专利技术属于非正交多址接入通信领域中，尤其是一种全双工非正交多址接入中带有服务质量保障的基于能效的功率控制方法。
技术介绍
在最新的5G新型多址技术研究中，基于功率域复用的非正交多址接入技术是5G网络中提高系统容量、改善频效、能效的一种有广泛应用前景的技术。NOMA技术相对于传统的OMA技术具有如下优点：更高的频谱效率、更高的小区边缘吞吐量、更低传输等待时间、增强用户公平性和支持更多的用户连接数等。然而，迄今为止NOMA的大部分工作仅限于半双工操作。由于NOMA和全双工技术都提高了频谱效率。全双工收发器在NOMA系统中的潜在应用是允许在蜂窝网络中同时进行上行链路和下行链路传输，其中来自上行链路信道中的配对用户的数据以及下行链路信道中的配对用户的数据在同一时间在同一频率上。关于全双工操作和NOMA原理相结合的最新研究很少，目前，通过对协作NOMA系统的研究成果分析发现，已有研究成果主要集中在以下方面。如SunY等人在《IEEECommunicationsLetters,2017,65(3):1077-1091》上发表题为“Optimaljointpowerandsubcarrierallocationforfull-duplexmulticarriernon-orthogonalmultipleaccesssystems”的文章，是基于全双工NOMA系统的加权和容量提出NOMA的最优和次优功率分配方案。其次，是针对系统遍历和速率的性能研究，如ZhangC等人在《IEEECommunicationsLetters,2016,22:2478-2481.》上发表的“Non-orthogonalmultipleaccesswithcooperativefull-duplexrelaying”的文章，是基于全双工协作NOMA中继系统的遍历和速率提出NOMA的功率分配方案。因此，针对全双工NOMA系统，主要集中在优化系统的功耗，系统容量以及和速率等性能指标，很少有对系统的能量效率进行研究。有必要考虑全双工NOMA系统中研究基于最大化能效的资源分配方法。
技术实现思路
本专利技术旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种提高了系统的能量效率、实用性和可行性强的全双工非正交多址接入的基于能效的功率控制方法。本专利技术的技术方案如下：一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，其包括以下步骤：在全双工非正交多址接入系统中，定义能效优化问题为：实现最大化NOMA通信系统的能量效率同时保证包括上行用户和下行用户的服务质量，通过采用控制上行用户和基站的发射功率的方法，将该最优化问题描述为问题P1：将问题P1运用分式规划问题转换为减式形式，并定义函数F(x)＝f(pk,qj)-xg(pk,qj)将优化问题P1等效地转化为优化问题P2：其中表示系统的和速率总和，表示系统的总功耗。求解问题P2，等价于求解F(x*)＝0,其中则优化问题P2等价为优化问题P3：P3：引入乘子λ和μk，变形为子问题P4：为了求解最优解(pk*，qj*)采用分层的思想对问题P4进行优化求解。进一步的，所述最优化问题P1为：P1:其中：受限制于：在问题P1中，各参数定义如下：RUL：表示系统中上行用户的和速率；RDL：表示系统中下行用户的和速率；pc：表示系统中的电路损耗；pk：基站分配给下行用户k的发射功率；qj：上行用户j的发射功率；表示下行用户k和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和下行用户k之间的路径损耗和阴影衰落；基站发射到下行用户的最大功率总和限制；单个上行用户的最大发射功率限制；hk：基站到下行用户k链路间的信道增益，不失一般性，令0≤|h1|≤|h2|≤…≤|hK|；gj：上行用户j到基站链路间的信道增益，不失一般性，令|g1|≥|g2|≥...≥|gJ|≥0；fj,k：上行用户j到下行用户k链路间的信道增益；表示下行用户k处的高斯白噪声；表示基站处的高斯白噪声；Γk：下行用户k的吞吐量要求；上行用户j的吞吐量要求；lSI：基站处自干扰信道增益；ρ：0＜ρ＜＜1，表示自干扰消除效果的一个常量。进一步的，所述将问题P1运用分式规划问题转换为减式形式，并定义函数F(x)＝f(pk,qj)-xg(pk,qj)将优化问题P1等效地转化为优化问题P2，具体包括：定义P2:受限于：F(x)≥0,其中x为辅助变量；进一步的，所述求解问题P2，等价于求解F(x*)＝0,其中则优化问题P2等价为优化问题P3：具体包括：P3：受限于：其中则pk*,qj*为问题P3的最优解。进一步的，所述引入乘子λ和μk，变形为子问题P4，具体包括：为求解问题P3，令引入乘子λ和μk，变形为如下子问题P4：P4-A：P4-B：进一步的，所述为了求解最优解(pk*，qj*)采用分层的思想对问题P4进行优化求解，步骤为：步骤4.1：初始化外层最大迭代次数lmax和最大终止误差ε，首先令l＝0和x＝0；步骤4.2：初始化内层最大迭代次数tmax和乘子α,βk,ηj,μk,λ，并且令t＝0。根据给定的x，由步骤(4)可得出最优解(pk*，qj*)：步骤4.3：根据次梯度算法更新拉格朗日乘子α,βk,ηj,μk,λ，并将t+1赋值给t。直至内层迭代收敛或者t＝tmax，并返回最优解(pk*,qj*)；步骤4.4：根据上述步骤4.3得到的最优解(pk*,qj*)，来判断f(pk*,qj*)-xg(pk*,qj*)＜ε，如果判断不收敛，则返回否则不收敛，令并返回步骤4.2，直至外层迭代收敛或者l＝lmax，那么结束算法。本专利技术的优点及有益效果如下：本专利技术针对基于全双工NOMA系统的能效最大化问题，在满足每个用户最小数据速率约束的情况下，采用分式规划和拉格朗日对偶方法，提出一种功率控制方案，最大化系统的能量效率。本专利技术所提供的方法相比其他的方案(基于NOMA最大功率发送方案MPT-NOMA以及传统的OMA方案)提高了系统的能量效率，实用性和可行性强。附图说明图1是本专利技术提供优选实施例提供的全双工NOMA网络的系统模型；图2是本专利技术对比不同自干扰消除量对系统能效的影响。图3是本专利技术对比算法(所提NOMA方案、传统OMA方案)的基站最大发射功率对系统能效的影响。图4本专利技术的流程示意图。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：本专利技术的技术方案如下：(1)在全双工非正交多址接入系统中，定义能效优化问题为：实现最大化NOMA通信系统的能量效率同时保证包括上行用户和下行用户的服务质量，通过采用控制上行用户和基站的发射功率的方法，将该最优化问题描述为问题P1：P1:其中：受限制于：在问题P1中，各参数定义如下：pk：基站分配给下行用户k的发射功率；qj：上行用户j的发射功率；表示下行用户k和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和下行用户k之间的路径损耗和阴影衰落；基站发射到下行用户的最大功率总和限制；单个上行用户的最大本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：在全双工非正交多址接入系统中，定义能效优化问题为：实现最大化NOMA通信系统的能量效率同时保证包括上行用户和下行用户的服务质量，通过采用控制上行用户和基站的发射功率的方法，将该最优化问题描述为问题P1：将问题P1运用分式规划问题转换为减式形式，并定义函数F(x)＝f(pk,qj)‑xg(pk,qj)将优化问题P1等效地转化为优化问题P2：其中

【技术特征摘要】
1.一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：在全双工非正交多址接入系统中，定义能效优化问题为：实现最大化NOMA通信系统的能量效率同时保证包括上行用户和下行用户的服务质量，通过采用控制上行用户和基站的发射功率的方法，将该最优化问题描述为问题P1：将问题P1运用分式规划问题转换为减式形式，并定义函数F(x)＝f(pk,qj)-xg(pk,qj)将优化问题P1等效地转化为优化问题P2：其中表示系统的和速率，表示系统的总功耗；求解问题P2，等价于求解F(x*)＝0,其中则优化问题P2等价为优化问题P3：P3：引入乘子λ和μk，变形为子问题P4：为了求解最优解(pk*，qj*)采用分层的思想对问题P4进行优化求解。2.根据权利要求1所述的一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，其特征在于，所述最优化问题P1为：P1:其中：受限制于：在问题P1中，各参数定义如下：RUL：表示系统中上行用户的和速率；RDL：表示系统中下行用户的和速率；pc：表示系统中的电路损耗；pk：基站分配给下行用户k的发射功率；qj：上行用户j的发射功率；表示下行用户k和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和基站之间的路径损耗和阴影衰落；θj,k：表示上行用户j和下行用户k之间的路径损耗和阴影衰落；基站发射到下行用户的最大功率总和限制；单个上行用户的最大发射功率限制；hk：基站到下行用户k链路间的信道增益，不失一般性，令0≤|h1|≤|h2|≤…≤|hK|；gj：上行用户j到基站链路间的信道增益，不失一般性，令|g1|≥|g2|≥...≥|gJ|≥0；fj,k：上行用户j到下行用户k链路间的信道增益；表示下行用户k处的高斯白噪声；表示基站处的高斯白噪声；Γk：下行用户k的吞吐量要求；Υj：上行用户j的吞吐量要求；lSI：基站处自干扰信道增益；ρ：0＜ρ＜＜1，表示自干扰消除效果的一个常量。3.根据权利要求2所述的一种全双工非正交多址接入系统基于能效的功率控制方法，其特征在于，通过定义将问题P1运用分式规划问题转换为减式形式，并定义函数F(x)＝f(pk,qj)-xg(pk,qj)，其中将优化问题P1等效地转化为优化问题P2：P2:受限于：F(x)≥0,在问题P2中，各参数定义如下：pk：基站分配给下行用户k的发射功率；qj：上行用户j的发射功率；表示下行用户k和基站之间的路径损耗和阴影衰落；表示上行用户j和基站之间的路径损耗和阴影衰落；θj,k：表示上行用户j和下行用户k之间的路径损耗和阴影衰落；基站发射到下行用户的最大功率总和限制...

【专利技术属性】
技术研发人员：王正强，孟宪辉，樊自甫，成蕖，万晓榆，
申请(专利权)人：重庆邮电大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50