单天线下行NOMA系统中的功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种单天线下行NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。基站将用户分簇并为用户簇分配正交的子频段，基站根据信道条件计算满足串行干扰消除时每个簇所需的最低总功率以及系统所需的最低总功率，以每个簇所需的最低总功率作为约束条件，构建最大化单个簇内能量效率的功率分配优化问题，求得单个簇的能量效率，然后以系统所需的总功率作为约束条件，构建最大化系统能量效率的簇间功率分配优化问题，采用迭代的方法求解簇间功率分配，最后根据簇间功率分配的结果为簇内的单个用户分配功率。

Power Allocation Method in Single Antenna Downlink NOMA System

The invention discloses a power allocation method in a single antenna downlink NOMA system, which is suitable for a downlink NOMA system including a base station and a MK user, and both the base station and the user are equipped with a single antenna. Base stations cluster users and allocate orthogonal sub-bands to user clusters. Base stations calculate the minimum total power required by each cluster and the minimum total power required by the system to satisfy serial interference cancellation according to channel conditions. With the minimum total power required by each cluster as constraint conditions, power allocation optimization problem is constructed to maximize the energy efficiency within a single cluster, and the energy efficiency of a single cluster is obtained. Then, with the total power required by the system as the constraint condition, an optimization problem of inter-cluster power allocation is constructed to maximize the energy efficiency of the system. The inter-cluster power allocation is solved by iteration method. Finally, the power allocation among individual users in the cluster is allocated according to the results of inter-cluster power allocation.

【技术实现步骤摘要】
单天线下行NOMA系统中的功率分配方法
本专利技术属于通信领域，尤其涉及一种单天线下行NOMA系统中的功率分配方法。
技术介绍
面对海量数据业务的需求，下一代移动通信系统要求传输速率更高、频谱效率更高、接入设备数量更多、时延更低。面对未来更高的挑战，业界纷纷提出了多种新型多址接入技术，非正交多址接入(Non-OrthogonalMultipleAccess,NOMA)技术就是其中的一种。NOMA在发送端引入了功率域复用，将多个用户的信号复用到同一时频资源上。接收端利用串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)方法消除部分多用户干扰进而检测自身的期望接收信号。根据NOMA的实现原理，信道越差的用户的功率越高，按照用户信道条件由差到好的顺序依次解码。因此，在发送端需要为用户分配功率，以获得最大的性能增益，同时达到接收端采用SIC消除部分多址干扰的目的。因此，NOMA中的功率分配是近年的研究热点之一。传统的功率分配方案分为：全空间搜索功率分配方案、固定功率分配方案、分数阶功率分配方案、平均功率分配方案以及注水功率分配方案。后来，有学者提出了按照某种原则进行功率分配，如最大化速率、最大化能量效率及最大公平。文献“Onoptimalpowerallocationfordownlinknon-orthogonalmultipleaccesssystems”以系统总功率作为约束条件，提出了最大化系统能量效率的功率分配方法。然而，该方法仅限于每个簇包含两用户的场景，不适用于每个簇包含多个用户的场景。
技术实现思路
本专利技术提出了单天线下行NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线。实现本专利技术的技术思路是：基站将用户分簇并为用户簇分配正交的子频段，基站根据信道条件计算满足串行干扰消除时每个簇所需的最低总功率以及系统所需的最低总功率，以每个簇所需的最低总功率作为约束条件，构建最大化单个簇内能量效率的功率分配优化问题，求得单个簇的能量效率，然后以系统所需的总功率作为约束条件，构建最大化系统能量效率的簇间功率分配优化问题，采用迭代的方法求解簇间功率分配，最后根据簇间功率分配的结果为簇内的单个用户分配功率。综上所述，一种单天线下行NOMA中的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线，包括如下步骤：A，基站将MK个用户分为K个簇，每个簇包含M个用户，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到ukm的信道为hkm，|hk1|2≥|hk2|2≥…≥|hkM|2，用r0表示正确检测信号时对信干噪比(SignaltoInterferenceandNoiseRatio,SINR)的最低要求，基站计算满足串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)时ukm所需的最低功率，用pkm0表示，m＝1时，m＝2,3,4,…,M时，σ2是用户接收到的噪声方差，K是簇的总数，M是每个簇中包含的用户数；C，基站计算满足SIC时第k个簇所需的最低总功率pk0以及系统所需的最低总功率Pmin，pk0的表达形式为Pmin的表达形式为其中，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，K是簇的总数，M是每个簇中包含的用户数；D，基站计算第k个簇的总功率为pk时为ukm分配的功率pkm以及此时的能量效率，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M；E，用Pmax表示基站的总功率，令Pmax≥Pmin，构建最大化系统能量效率的簇间功率分配优化问题，其中，约束条件C1表示系统的总功率为Pmax，约束条件C2表示单个簇的总功率不能低于该簇所需的最低总功率；F，求解步骤E中的优化问题，得到簇间功率分配pk，k＝1,2,…,K；G，将步骤F得到的pk带入步骤D中的式(1)得到为第k个簇的第m个用户分配的功率pkm，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，K是簇的总数，M是每个簇中包含的用户数。进一步，所述步骤D具体包括：D1，构建第k个簇的总功率为pk时最大化该簇内用户速率之和的优化问题，其中，约束条件C1表示该簇的总功率不能低于该簇所需的最低总功率，约束条件C2表示满足SIC时对单个用户的功率要求；D2，求解步骤D1中的优化问题，得到一组次优解，其中，D3，基站计算得到该簇内的所有用户的速率之和基站计算该簇的能量效率其中，进一步，所述步骤F具体包括：F1，引入函数Q(pk,k＝1,2,…,K,α)，表达式如下，其中，α是一个正数；F2，构造拉格朗日函数F(pk,k＝1,2,…,K,λ)，其中，λ是拉格朗日乘子；F3，求F(pk,k＝1,2,…,K,λ)关于pk和λ的导数，得到如下方程组，F4，求解步骤F3中的方程组，得到其中，λ的取值满足式(3)中，如果则否则pk＝pk0；F5，设置α的初始值为0，设置Q(pk,k＝1,2,…,K,α)的初始值为∞且参数δ>0；F6，由式(3)计算得到pk，k＝1,2,…,K；F7，将pk和α代入式(2)计算得到Q(pk,k＝1,2,…,K,α)；F8，更新α，令α＝η(pk,k＝1,2,…,K)；F9，如果|Q(pk,k＝1,2,…,K,α)|>δ，则执行步骤F6、步骤F7和步骤F8，直到|Q(pk,k＝1,2,…,K,α)|≤δ。有益效果：本专利技术公开的方法将最大化能量效率的功率分配方案扩展到每个簇中包含任意用户的场景，推导了在满足用户速率需求时每个簇所需的最低总功率以及系统所需的最低总功率，在系统所需的最低总功率约束下给出了最大化系统能量效率的功率分配方案。该方法不仅能最大化系统能量效率，还满足了每个用户的速率需求。附图说明图1是本专利技术实施例的系统模型；图2是本专利技术的流程图。具体实施方式下面给出本专利技术的一种实施例，对本专利技术做进一步详细的说明。如图1所示，考虑包含1个基站和MK个用户的下行NOMA系统，基站和用户都配置单根天线。用户被分为K个簇，每个簇包含M个用户，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M。基站到ukm的信道为hkm，|hk1|2≥|hk2|2≥…≥|hkM|2。基站为第k个簇分配的总功率为pk，其中ukm的功率为pkm，pk1≤pk2≤…≤pkM，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交。用ykm表示ukm的接收信号，ykm的表达形式为其中，xkm是ukm的期望接收信号，nkm是ukm接收到的高斯白噪声，均值为零方差为σ2。uk1进行串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)，即首先检测出xkM，并消除该信号对yk1造成的干扰，然后再检测xk(M-1)，并消除该信号对yk1造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对yk1造成的干扰，直至检测出xk1。uk1检测xkm时的信干噪比(SignaltoInterferenceandNoiseRatio,SINR)为同理，ukj检测xkm时的SINR为其中，j≤m，m＝1,2,…,M，j本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.单天线下行NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线，其特征在于：包括如下步骤：A，基站将MK个用户分为K个簇，每个簇包含M个用户，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到ukm的信道为hkm，|hk1|

【技术特征摘要】
1.单天线下行NOMA系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和MK个用户的单天线下行NOMA系统且用户和基站都配置单天线，其特征在于：包括如下步骤：A，基站将MK个用户分为K个簇，每个簇包含M个用户，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；B，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，基站到ukm的信道为hkm，|hk1|2≥|hk2|2≥…≥|hkM|2，用r0表示正确检测信号时对信干噪比(SignaltoInterferenceandNoiseRatio,SINR)的最低要求，基站计算满足串行干扰消除(SuccessiveInterferenceCancellation,SIC)时ukm所需的最低功率，用pkm0表示，m＝1时，m＝2,3,4,…,M时，σ2是用户接收到的噪声方差，K是簇的总数，M是每个簇中包含的用户数；C，基站计算满足SIC时第k个簇所需的最低总功率pk0以及系统所需的最低总功率Pmin，pk0的表达形式为Pmin的表达形式为其中，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，K是簇的总数，M是每个簇中包含的用户数；D，基站计算第k个簇的总功率为pk时为ukm分配的功率pkm以及此时的能量效率，k＝1,2,…,K，m＝1,2,…,M，具体过程如下，D1，构建第k个簇的总功率为pk时最大化该簇内用户速率之和的优化问题，其中，约束条件C1表示该簇的总功率不能低于该簇所需的最低总功率，约束条件C2表示满足SIC时对单个用户的功率要求；D2，求解步...

【专利技术属性】
技术研发人员：田心记，李晓静，张丹青，
申请(专利权)人：田心记，
类型：发明
国别省市：河南,41