一种多载波NOMA系统的资源分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种多载波NOMA系统资源分配方法。在保证所有系统接入用户服务质量约束下的最小数据速率和基站总发射功率限制的条件下，构建了以最大化系统和速率为目标的数学优化问题，并将原始的非凸问题拆分为两个主要的凸子问题分别进行求解。一方面，针对用户与子载波的调度，提出了两步式双边匹配算法，在保证系统性能的情况下，能够快速有效地完成系统中用户和子载波的调度与匹配。另一方面，关于系统中的功率分配问题，在保证接收端可以成功执行连续串行干扰消除(SIC)技术的前提下，推导出了子载波复用用户间的功率分配的闭式解，并在此基础上完成了剩余增量功率在子载波间的注水分配。本发明专利技术所提方法显著提高了系统的吞吐量性能。的吞吐量性能。的吞吐量性能。

【技术实现步骤摘要】
一种多载波NOMA系统的资源分配方法


[0001]本专利技术属于无线通信
，具体涉及一种多载波NOMA系统的资源分配方法。

技术介绍

[0002]近年来，无线通信技术的不断更新换代给人类社会生活的各个方面带来了深刻的变革。同时，伴随着物联网与第五代移动通信技术的快速发展，未来无线通信技术也面临着越来越严峻的挑战。除了低时延、移动性、可靠性等指标之外，其对大容量的需求变得异常显著。
[0003]非正交多址接入(NOMA)作为一种突出的无线电技术，主要通过功率复用使发射端在同一频率域内能够同时叠加传输多个用户的信息，而具有较高的频谱效率，能够有效应对当前爆炸式增长的通信容量需求。与传统的单载波NOMA技术不同，对于多载波NOMA来说，通过进一步将频率资源划分为不同的子载波空间，同时能够最大限度地提高系统的频率资源利用率。
[0004]由于NOMA技术优越的频谱特性，其在多个方面得到了众多学者的广泛研究，关于多载波NOMA系统的资源分配问题主要涉及两大部分；其中一部分为用户调度问题，即如何合理的分配用户，使其能够与产生最好系统性能的子载波匹配。目前的匹配算法特点主要概括为两类：一是匹配性能好，但是计算复杂度较高；二则是复杂度较低的随机匹配，但此类方案所能实现的系统性能又往往不够理想。另一部分即功率分配问题，对于多载波NOMA系统而言，这一问题又可以划分为子载波间与子载波上的用户间的功率分配。常见的功率分配算法主要有平均分配以及注水分配等。此外，系统资源分配方案也常常以系统容量、能量效率、安全速率或者中断概率为优化目标。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，建立了多载波NOMA下行系统的网络模型，提出了基于最大化系统和速率的资源分配方案，同时基于双边匹配理论和注水算法，在满足用户服务质量(QoS)需求的同时，以期最大化系统的总和速率。要解决的技术问题有：
[0006]问题1：结合现有的多载波正交技术和NOMA方案，构建多载波NOMA系统的网络模型；
[0007]问题2：针对多载波NOMA系统模型，对基于最大化系统和速率的资源分配优化问题进行数学建模；
[0008]问题3：根据具体的数学优化问题，利用经典的双边匹配理论和注水法则，设计并分析联合资源分配算法，具体包括用户与子载波的匹配调度和子载波间以及子载波上复用用户间的功率分配。
[0009]本专利技术的目的是这样实现的：
[0010]一种多载波NOMA系统的资源分配方法，它包括：
[0011]步骤一：建立下行传输链路的多载波NOMA系统模型；
[0012]步骤二：获取所述多载波NOAM系统模型的系统参数，构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量，目标函数以及约束条件的数学表达式；
[0013]步骤三：将非凸的目标问题转化为更易解决的凸子问题，基于双边匹配理论与注水算法，提出多载波NOMA系统中最大化系统和速率的联合资源分配算法。
[0014]本专利技术的有益效果：
[0015]本专利技术提供的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，建立了多载波NOMA系统的网络模型，构建了基于最大化系统和速率的资源分配方案的数学优化问题，结合双边匹配理论和注水算法对该联合资源优化方案进行了分析与验证，实现了在满足用户QoS的同时，最大化系统的和速率。另外，在相同的约束条件下，对比部分已有的相关算法，所提方案使得多载波NOMA系统能够实现更优的吞吐量性能。
附图说明
[0016]图1是本专利技术实施例一种多载波NOMA系统的资源分配方法的流程结构示意图；
[0017]图2是本专利技术实施例多载波NOMA系统的网络模型的结构示意图；
[0018]图3是本专利技术实施例的用户调度方案与其它方案的系统和速率对比图；
[0019]图4是本专利技术实施例基于双边匹配原理的资源分配算法流程图；
[0020]图5是本专利技术实施例的用户调度方案与其它方案的匹配轮询次数对比图；
[0021]图6是本专利技术实施例的联合资源分配方案与其它方案的系统和速率对比图；
具体实施方式
[0022]下面结合附图对本专利技术做进一步详细的描述。以下实施例仅用来更加清楚的阐释本专利技术的技术方案，而不是作为限制本专利技术的保护范围。
[0023]实施例1：
[0024]图1示出了本实例提供的一种多载波NOMA系统的资源分配方法的流程示意图，包括以下步骤：
[0025]步骤一：建立多载波NOMA系统的网络模型：将传统的多载波正交技术与NOMA系统相结合，系统模型如图2所示；具体包括以下内容：
[0026]多载波NOMA系统由一个基站和N个随机分布在蜂窝网络内的用户组成；总的系统带宽为B，且其被均匀地划分为M个带宽为B
sc
＝B/M的正交子载波，即各个子载波上的复用用户间的消息传递过程互不干扰；所有子载波的索引集合可以表示为k
m
表示复用在第m个子载波上的用户数，且进一步地，用UE
l,m
表示复用在第m个子载波上的第l个用户，l＝1,2,
…
,k
m
，假设其分配得到的功率为p
l,m
，则该用户通过第m个子载波能够接收到的信号为：
[0027][0028]其中，h
l,m
表示UE
l,m
与基站之间的信道系数；s
l,m
或者s
i,m
表示基站通过子载波m传递给第l个或者第i个用户的单位能量符号；表示子载波m上的加性高斯白噪声，且σ2＝N0B
sc
，N0为噪声功率谱密度；此处将用户的信道系数进行噪声归一化处理，得到H
l,m
＝|h
l,m
|2/σ2,可称其为等效信道增益。
[0029]在接收端，通过采用串行干扰消除(SIC)技术进行多用户信号的区别与检测，以提高系统的译码性能。即在NOMA下行链路系统中，每个用户在解码过程中首先检测信道质量弱于自身的用户信号，并将其从接收到的叠加信号中移除，同时将信道质量强于它的用户信号视作干扰。对复用在子载波m上的k
m
个用户按照信道质量降序排列，得到
[0030]基于SIC技术及以上的解码规则，UE
l,m
的信干噪比(SINR)可以表示为：
[0031][0032]因此，UE
l,m
的瞬时可达速率可依据香农公式计算为：
[0033][0034]步骤二:构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量、目标函数以及约束条件的数学表达式；具体包括以下内容：
[0035]所述数学优化问题的目标函数为系统中所有用户的可达和速率，表示为：
[0036][0037]所述问题的主要优化目标包括：
[0038]①
用户与载波的匹配情况；
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，包括：步骤一:建立下行传输链路的多载波NOMA系统模型；步骤二:获取所述多载波NOMA系统模型的系统参数，构建基于最大化系统和速率的联合资源分配的数学优化问题，包括确定优化变量，目标函数以及约束条件的数学表达式；步骤三：将目标问题拆分并转化成两个凸子问题，基于双边匹配理论与注水算法，提出多载波NOMA系统中最大化和速率的联合资源分配算法。2.根据权利要求1所述的一种多载波NOMA系统的资源分配方法，其特征在于，所述步骤一具体包括以下内容：下行多载波NOMA系统由一个单天线基站和N个随机分布在蜂窝网络中的单天线用户组成；总的系统带宽为B，且其被等分为M个带宽为B
sc
＝B/M的正交子载波，即任意两个子载波之间的用户消息传递都不存在干扰，所有子载波的集合可以表示为在发送端，根据NOMA技术的信号叠加原则，在相同的子载波资源块上，基站可将多个用户的信号进行叠加发送；k
m
表示复用在第m个子载波上的用户数，且令UE
l,m
表示第m个子载波上复用的第l个用户，且p
l,m
和s
l,m
分别为UE
l,m
所分配到的发射功率和待发送信号；则基站通过子载波m传输的叠加信号可以表示为：同样的，在接收端，UE
l,m
处的接收信号为：其中，h
l,m
＝g
l,m
·
PL
‑1(d)表示基站到UE
l,m
的信道系数,g
l,m
为经历的瑞利衰落,PL(d)是由UE
l,m
与基站的距离d产生的路径损耗；z
m
为子载波上的加性高斯白噪声，且σ2＝N0B
sc
，N0为噪声功率谱密度；此处将用户的信道系数进行噪声归一化处理，即H
l,m
＝|h
l,m
|2/σ2,可称其为等效信道增益；在接收端，复用在子载波m上的k
m
个用户通过串行干扰消除(SIC)技术进行信号的检测和分离，以消除用户间的信号干扰，即信道质量好的用户通过执行SIC以消除信道质量比他差的用户带来的干扰，而信道质量差的用户则直接把强于他的用户的信号视作干扰，直接解调出自身信号；因此，在接收端执行SIC后，UE
l,m
的信干噪比(SINR)可以表示为：
根据香农公式，UE
l,m
的可达速率可计算为：则子载波m的可达和速率为：3.根据权利要...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱政宇，吕亚培，王梓暄，孙钢灿，郝万明，刘沛佳，郭亚博，林宇，陈鹏飞，申凌峰，
申请(专利权)人：郑州大学，
类型：发明
国别省市：