一种考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，更具体地，涉及一种考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路能效优化方法。

背景技术：

面对流量需求的增长和频谱资源的匮乏，NOMA(Non-orthogonal Multiple Access，非正交多址接入)技术作为一种功率域复用技术，以其在系统容量和频谱利用率的优势而成为下一代移动通信多址技术的热门候选之一。不同于4G系统中的频谱资源由一个用户单独占有，NOMA系统将同样的频谱资源分配给多个用户，并通过分配不同的功率系数来实现功率域复用。信道条件较好的用户通过执行SIC(Successive Interference Cancellation，连续干扰消除)来消除来自其他用户的干扰，从而极大的增加系统的总容量。

节能减排、降低功耗的绿色通信作为下一代移动通信的要求需要进行NOMA系统能效优化的工作。传统的NOMA系统功率系数分配方案都是以系统总容量最大化为目标的，也缺少对于SIC信号处理部分能量消耗的考虑，因此按照传统的NOMA系统功率系数分配方案会使系统总能效较低。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路能效优化方法，其目的在于在保障系统总吞吐量的情况下提升NOMA系统的能效。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路能效优化方法，包括如下步骤：

(1)BS(Base Station，基站)更新当前网络的基本信息，并根据当前网络信息获取基站发射功率P、小区中执行NOMA通信的两个用户与基站之间的信道条件，以及用户接收机为执行SIC所需要进行复用信号分离的信号差门限阈值θ；

(2)根据两个用户中信道条件较好的用户的信道条件H₂、基站发射功率P以及所述信号差门限阈值θ确定能效最优的两个用户功率分配系数a₁和a₂；

a₁是指两个用户中信道条件较差的用户的功率分配系数，a₂是两个用户中信道条件较好的用户的功率分配系数；

(3)按照上述两个用户功率分配系数对两个用户进行功率分配，为信道条件较差的用户1分配a₁P，为信道条件较好的用户2分配a₂P，由此获得最大能效。

优选地，上述考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路能效优化方法，其步骤(2)包括如下子步骤：

(2.1)比较两个用户的信道条件，确定信道条件好的用户为用户2，其信道条件为H₂；

(2.2)根据所述信道条件H₂、基站发射功率P以及信号差门限阈值θ确定能效最优的两个用户功率分配系数a₁和a₂；

$a_1=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}-\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8};$

$a_2=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8};$

其中，n是指用户热噪声；a₁+a₂＝1。

优选地，上述考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路能效优化方法，其步骤(2.2)包括如下子步骤：

(2.2.1)基站同时对两个用户传输相互叠加的信号，

用户1接收到的信号

用户2接收到的信号

其中，n₁为用户1的热噪声，n₂为用户2热噪声；n₁，n₂～CN(0，1)，n₁＝n₂＝n；其中，s₁为发送基站给用户1的信息，s₂为基站发送给用户2的信息；

(2.2.2)由用户2执行SIC，先解码用户1的信息，将用户1的信息从相互叠加的信号中移除后再解码用户2自身的信息；

由此，用户1不需要执行SIC，因而降低了用户1在SIC信号处理上的能耗；

(2.2.3)获取用户2的中断概率

在NOMA中，为了接收机顺利执行SIC，需满足a₁＞a₂，用户2有一定的中断概率；即两个用户功率分配系数差越大，用户2越容易执行SIC；两个用户功率分配系数差越小，用户2越难执行SIC，并有一定概率产生中断；

(2.2.4)获取两个用户的数据速率：

$R_1={\log }_2(\frac{a_1{{\mathrm{PH}}_1}^2}{a_2{{\mathrm{PH}}_1}^2+n_1}+1),$

$R_2={\log }_2(\frac{a_2{{\mathrm{PH}}_2}^2}{n_2}+1)\·\exp (-\frac{\mathrm{\θ}}{(a_1-a_2)P});$

其中，R₁是指用户1的数据速率，R₂是指用户2的数据速率；

(2.2.5)根据能效的定义，在考虑用户2的SIC电路能耗情况下，获取NOMA系统的能效方程

其中P_SIC是指用户2接收机执行SIC所消耗的能量；

(2.2.6)根据a₁+a₂＝1，将能效方程变换成关于用户2的功率分配系数a₂的函数，

${\mathrm{\η}}_{EE}=\frac{{\log }_2(\frac{(1-a_2){{\mathrm{PH}}_1}^2}{a_2{{\mathrm{PH}}_1}^2+n_1}+1)+{\log }_2(\frac{a_2{{\mathrm{PH}}_2}^2}{n_2}+1)\·\exp (-\frac{\mathrm{\θ}}{(1-2a_2)P})}{P+P_{SIC}};$

(2.2.7)通过使η_EE最大，对上述函数进行求导获得

$a_2=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8};$

并进一步根据a₁+a₂＝1获得

$a_1=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}-\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8};$

至此，两个用户的功率分配系数均已获得，BS按照以上功率分配系数对两个用户进行功率分配，即为用户1分配a₁P，为用户2分配a₂P即可获得最大能效。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

(1)本发明提供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法，为两个用户的功率分配提出了优化策略；用户在同一时隙或频域下对功率域进行复用，一个用户通信转变成两个用户通信，由于一个用户的信道条件很差，另一个用户对其产生的干扰不会过多地影响其性能，因此整个系统的吞吐量和用户总速率得到很大程度的提升，通过对能效方程求导又得到能效最优的功率分配系数，这样既保证了系统的总容量，又使能效最优，最大限度地减少能量消耗；

(2)本发明提供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法，考虑了现实情况中执行SIC过程电路所消耗的能量，与不考虑SIC能耗的两用户NOMA下行链路系统相比，能够更加准确地描述系统所消耗的能量；

在不考虑SIC能耗的NOMA下行链路系统中，认为所消耗的功率只有基站的发射功率，并认为系统能效是关于用户2功率分配系数a₂的单调增函数，即在a₂＝0.5，a₁＝0.5时系统能效取得最大值；但是，当两个用户的功率分配系数相等时，SIC电路将无法区分出两个信号，导致用户2的接收机无法对所接收的信号执行SIC，从而降低了系统的总传输容量，最终导致系统总能量效率的下降；

总体来说，本发明提出的以上技术方案与现有技术中不考虑SIC能耗的方法相比，在保证系统容量的基础上提高系统总能效，可提升整个网络的性能，既符合未来移动通信对频谱效率的要求，又符合绿色通信的趋势。

附图说明

图1是实施例中两用户NOMA下行链路系统模型示意图；

图2为本发明实施例提供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法的流程图；

图3为实施例提供的能效优化方法与不考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法的系统总能效仿真对比图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方案，根据信道条件好的用户的信息和基站的发射功率确定两个用户的功率分配系数，以达到能效最优的效果。

图1所示，是实施例中两用户NOMA下行链路网络系统模型示意图；其中，信道条件差的用户为用户1，信道条件好的用户为用户2，用户2先通过执行SIC解码用户1的信息，并将其消除，再解码用户2的信息，以达到提高系统频谱效率的效果；实施例中，用户服从独立的泊松分布，根据泊松分布的特性，任何小区的几何特征都与其中一个小区一致，可将其中一个小区的分析结论扩展到蜂窝网络中的所有小区。

图2所示，是实施例供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行能效优化方法的流程图，具体包括如下步骤：

(1)系统初始化，根据当前网络信息获取基站的发射功率P，小区中两个用户与基站之间的信道条件，以及用户接收机为执行SIC所需要进行复用信号分离的信号差门限阈值θ；实施例中用户接收机为执行SIC所需要进行复用信号分离的信号差门限阈值θ＝3mV；

(2)比较两个用户的信道条件，信道条件差的用户1的信道条件用H₁表示，信道条件好的用户2的信道条件用H₂表示；由用户2执行SIC，先解码用户1的信息，将其移除后再解码自身的信息，用户1则不需要执行SIC；

根据用户2的信道条件H₂、基站发射功率P以及用户接收机为执行SIC所需要进行复用信号分离的信号差门限θ确定能效最优的两个用户的功率分配系数a₁和a₂，

$a_1=\frac{1}{2}+\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}-\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8},$

$a_2=\frac{1}{2}-\frac{1}{2}{\[{\left(\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{4}\right)}^2+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{2}\]}^{\frac{1}{2}}+\frac{\frac{2\mathrm{\θ}}{P}\·\left(\ln \right(\frac{{\mathrm{PH}}_2}{n})-1)}{8};$

(3)根据上述两个用户功率分配系数，基站为用户1分配a₁P的功率，为用户2分配a₂P；此时，系统的总能效η_EE取得最大值；在保证频谱效率的基础上，达到能效最优的有益效果。

图3所示，是实施例提供的考虑SIC能耗的两用户NOMA下行系统总能效优化方法与不考虑SIC能耗的两用户下行系统总能效优化方法相比较，两者的能效仿真对比图；其中，参数为：用户接收机为执行SIC所需要进行复用信号分离的信号差门限阈值θ＝3mV，噪声n＝1×10^-14W，用户2执行SIC的电路所消耗能量P_SIC＝0.2W，用户1与基站之间的信道条件H₁＝-116.12dB，用户2与基站之间的信道条件H₂＝-107.95dB，不考虑SIC能耗的两用户下行系统总能效优化方法中a₂＝0.499。

从图3可以看出，对比于不考虑SIC能耗的两用户下行系统总能效优化方法，实施例提供的考虑SIC能耗的两用户下行系统总能效优化方法可提高整个网络的能效性能。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。