一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法技术方案

本发明专利技术涉及一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，包括以下步骤：(1)初始化参数，包括：协作多点聚类内基站集B，每个小区的移动用户集M，联合子信道集K，参考信道增益阈值V，信源功率上限P

A joint optimization method of subchannel scheduling and power allocation based on non orthogonal multiple access system

【技术实现步骤摘要】
一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法
本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法。
技术介绍
移动通信技术的迅猛发展使人们对数据传输速率和通信服务质量的要求越来越高。在非正交多址(Non-OrthogonalMultipleAccess，NOMA)系统中，一方面，非正交多址技术可以提高频谱效率和网络吞吐量因而成为下一代移动通信的关键技术之一；而另一方面，传统的非正交多址系统在同一资源块上叠加用户传输，导致使用同一频谱资源的边缘用户受到的干扰增加，降低了小区边缘用户的服务质量和用户公平性。协作多点(CoordinatedMulti-Point，CoMP)技术具有减轻小区间干扰，提高小区吞吐量和小区边缘用户性能的特点。而当下，基于协作多点的非正交多址(NOMA-CoMP)技术具有显著的理论研究及应用价值，该技术能够提高频谱效率的同时减轻小区间干扰，从而提高小区的整体吞吐量。现有技术中，对NOMA-CoMP系统的研究主要集中在优化多小区用户功率分配或者只考虑单小区子信道调度问题，这些技术中均没有考虑多小区子信道调度与功率分配联合优化问题。
技术实现思路
基于现有技术存在的上述不足，本专利技术提供一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法。为了达到上述专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，包括以下步骤：(1)初始化参数，包括：协作多点聚类内基站集B，每个小区的移动用户集M，联合子信道集K，参考信道增益阈值V，信源功率上限Ps，信宿处噪声功率(2)利用用户选择和偏好集排序算法得到信道增益矩阵、等效信道增益矩阵、参考数据速率，分别记为Db、Rsum；采用二进制元素表示小区b的联合子信道k是否分配给用户Mj，表示小区b的联合子信道k分配给用户j的功率；(3)利用联合子信道-用户匹配算法和注水功率法得到步骤(2)中的最优解。作为优选方案，所述步骤(1)还包括：根据等效信道增益将每个小区的用户分为中心用户和边缘用户，分别用CCU和CEU表示；其中，中心用户为非CoMP用户，边缘用户为CoMP用户；假设B个基站为一个CoMP聚类，则这个CoMP聚类内的全部联合基站实际调度的CoMP用户集为：CEU＝[CEU1,CEU2,...,CEUB]；每个CoMP基站实际调度的用户集为：Ub＝[CCUb,CEU],(b∈B)；每个CoMP基站实际调度的用户数为：Ub＝card(Ub)；CoMP聚类内调度用户数最大的基站的总用户为：U＝max(Ub)。作为优选方案，所述步骤(2)包括：假设表示小区b的子信道k上的传输信号，Sj表示调度用户j的基站集，表示小区的子信道k上用户j的信道系数，则小区b的联合子信道k上的传输信号在用户j接收端表示为：其中，Фj表示用户j所受到的小区外干扰，表示叠加高斯白噪声，是噪声变量；当card(Sj)＝1时，小区b的用户j是非CoMP用户，则用户j能消除上信道增益比自身信道增益小的其他用户所造成的内干扰，即当card(Sj)>1时，小区b的用户j是CoMP用户，则用户j能消除联合子信道上信道增益比自身信道增益小的其他用户所造成的内干扰，即且外干扰因此，当Mj∈CCUb时，上Mj的和速率为：其中，表示CCUb的Mj在上所受到的内干扰，表示CCUb的Mj所受到的外干扰，当Mj∈CEU时，上Mj的和速率为：其中，表示CEU的Mj在上所受到的内干扰，小区b的的和速率为：引入一个K×U的联合子信道分配矩阵，系统性能由CoMP聚类所有用户的和速率进行评估：作为优选方案，所述的最优解为：设置最大化系统的整体和速率，优化问题转化为：其中，目标函数为式(9a)，可知CoMP聚类的系统总和速率由子信道和功率共同决定；式(9b)保证每个子信道最多叠加qu个用户；式(9c)保证每个用户最多由ql个子信道调度；式(9d)是目标函数的干扰项，所述优化问题为非凸优化问题；各用户功率系数满足式(9e)和(9f)。作为优选方案，所述步骤(2)的用户选择和偏好集排序算法包括以下步骤：(2.1)基站广播获得参考信道增益集表示为：(2.2)CoMP用户划分：设置算法的参考信道增益阈值V，根据小区内各子信道与用户之间的信道增益对用户集进行划分；如果max(Db,j)≤V，则CEUb＝{j}；否则，CCUb＝{j}；基站以相同的参考功率发送信号，则小区的用户Ub,j的信道增益可用等效信道增益表示；等效参考增益集表示为：由式(2)、(5)和(11)求得分配相同的参考功率时各小区用户在不同子信道的数据速率集：作为优选方案，所述步骤(3)包括以下步骤：(3.1)建立集合{Kbmatch}，记录小区b中各子信道目前所匹配的用户；(3.2)由和求得用户偏好集{P(Ub)}和联合子信道偏好集{P(Kb)}，即：(3.3)根据{P(Ub)}和{P(Kb)}判断每一轮相互选择的结果，更新和{P(Ub,j)}；(3.4)功率分配使用注水功率算法为：作为优选方案，所述步骤(3.3)具体包括：(a)输入{P(Ub)}，{P(Kb)}；(b)建立集合记录小区b中各子信道目前所匹配的用户；(c)子信道匹配过程：每个Ub,j∈Ub自荐给偏好集{P(Ub,j)}满意度最高的子信道：如果则选择的用户被保留；否则，从选择的用户中选择qu个满意度最高的用户，更新(d)判断是否调度自荐的边缘用户：如果选择了CEUb中的Ub,j，则如果联合调度集Sj中的基站同时选择调度Ub,j，则保留Ub,j；否则，更新否则，下一步；(e)更新子信道的偏好集和用户的偏好集：从中删除已经选择的Ub,j，更新如果则在{P(Ub,j)}中删除更新{P(Ub,j)}；否则，在{P(Ub,j)}中删除已经选择的Ub,j所对应偏好集序列，更新{P(Ub,j)}；(f)判断是否满足算法的循环条件：如果或返回步骤(c)；否则，结束算法。作为优选方案，所述表示小区b的联合子信道k分配给用户j的功率，满足和其中，Ps为每个基站的总发射功率，各个基站总发射功率相等。作为优选方案，所述移动用户集中的各移动用户和所述基站集中各基站均为单天线。本专利技术的有益效果是：本专利技术对子信道调度问题和功率分配问题联合考虑，可在最大化总和速率的同时保证了用户公平性，改善小区边缘用户性能，提高无线网络用户的使用体验。另本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：/n(1)初始化参数，包括：协作多点聚类内基站集B，每个小区的移动用户集M，联合子信道集K，参考信道增益阈值V，信源功率上限P

【技术特征摘要】
1.一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)初始化参数，包括：协作多点聚类内基站集B，每个小区的移动用户集M，联合子信道集K，参考信道增益阈值V，信源功率上限Ps，信宿处噪声功率
(2)利用用户选择和偏好集排序算法得到信道增益矩阵、等效信道增益矩阵、参考数据速率，分别记为Db、Rsum；采用二进制元素表示小区b的联合子信道k是否分配给用户Mj，表示小区b的联合子信道k分配给用户j的功率；
(3)利用联合子信道-用户匹配算法和注水功率法得到步骤(2)中的最优解。


2.根据权利要求1所述的一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，所述步骤(1)还包括：
根据等效信道增益将每个小区的用户分为中心用户和边缘用户，分别用CCU和CEU表示；其中，中心用户为非CoMP用户，边缘用户为CoMP用户；
假设B个基站为一个CoMP聚类，则这个CoMP聚类内的全部联合基站实际调度的CoMP用户集为：CEU＝[CEU1,CEU2,...,CEUB]；
每个CoMP基站实际调度的用户集为：Ub＝[CCUb,CEU],(b∈B)；
每个CoMP基站实际调度的用户数为：Ub＝card(Ub)；
CoMP聚类内调度用户数最大的基站的总用户为：U＝max(Ub)。


3.根据权利要求2所述的一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，所述步骤(2)包括：
假设表示小区b的子信道k上的传输信号，Sj表示调度用户j的基站集，表示小区的子信道k上用户j的信道系数，则小区b的联合子信道k上的传输信号在用户j接收端表示为：



其中，Фj表示用户j所受到的小区外干扰，表示叠加高斯白噪声，是噪声变量；
当card(Sj)＝1时，小区b的用户j是非CoMP用户，则用户j能消除上信道增益比自身信道增益小的其他用户所造成的内干扰，即
当card(Sj)>1时，小区b的用户j是CoMP用户，则用户j能消除联合子信道上信道增益比自身信道增益小的其他用户所造成的内干扰，即且外干扰
因此，当Mj∈CCUb时，上Mj的和速率为：



其中，表示CCUb的Mj在上所受到的内干扰，




表示CCUb的Mj所受到的外干扰，



当Mj∈CEU时，上Mj的和速率为：



其中，表示CEU的Mj在上所受到的内干扰，



小区b的的和速率为：



引入一个K×U的联合子信道分配矩阵，系统性能由CoMP聚类所有用户的和速率进行评估：





4.根据权利要求3所述的一种基于非正交多址系统的子信道调度与功率分配联合优化方法，其特征在于，所述的最优解为：
设置最大化系统的整体和速率，优化问题转化为：


















其中，目标函数为式(9a)，可知CoMP聚类的系统...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴江，黄勇，徐伟强，朱升宏，
申请(专利权)人：浙江理工大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33