一种应用于NOMA中的功率分配系统及功率分配方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种应用于NOMA中的功率分配系统及功率分配方法。

背景技术：

在无线通信系统中，随着用户需求的不断提高，用户数目的不断增加，智能终端普及诸如物联网、人工智能、虚拟现实等技术的发展，无线通信速率不能满足未来需求，因而需要对资源进行复用，满足多用户接入的需求。

多用户接入技术主要分为正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)和非正交多址接入技术(Non-orthogonal Multiple Access,NOMA)。但是OMA并不能满足下一代移动通信爆炸式增长的用户需求，因此，关于NOMA的研究成为一个热点。

NOMA,是指允许多个用户同时复用同一时域、频域或码域资源，对复用同一个资源的用户(即同组用户)在发射端分配不同功率，在接收端通过采用先进的串行干扰消除接收机(Successive Interference Receiver,SIC)对各个用户信号实现解调。

针对NOMA现有的研究成果中，对于功率分配机制已经有一定的研究。其主要思想是对一定的功率进行用户组内固定比例分配(类型1，Type 1)，或是对组内用户进行动态的功率分配(类型2，Type2)。

在类型1的功率分配机制中，基站端获知用户信道状态信息，根据一定时间内信道状态的平均值。将用户信道状态平均值在该时间段内信道状态，根据同组用户信道状态强弱，对强用户分配一个固定的功率分配因子β₁，对弱信道用户分配固定的功率分配因子β₂。且满足β₁+β₂＝1。且在该时间段内，功率分配因子是固定的。这样做降低了接收机解调的复杂度，但是，固定的功率分配因子不能够根据用户信道状态情况的变化而变化，对于系统容量的提升造成了一定的限制。

在类型2的功率分配机制中，同组用户中的功率分配因子随着瞬时用户信道状态而变化，现常用的功率分配方式可以根据用户信道状态变化实时改变功率分配因子，主要的动态功率分配机制主要有基于注水算法的功率分配机制，基于TTPA的功率分配机制等，可以较好提高系统容量，但是这类功率分配机制都是根据给定的功率进行分配，并没有求出满足用户速率的最小功率。

针对上述应用于NOMA的功率分配机制，都是对给定的功率进行组内用户功率分配，并没有支持同组用户所消耗总功率最小的功率分配机制。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种应用于NOMA中的功率分配系统及功率分配方法，能够支持同组用户所消耗总功率最小的功率分配机制。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于NOMA中的功率分配系统，所述系统包括基本信息获取模块、用户目标速率计算模块、组内最小功率计算模块、最小功率分配模块以及功率分配结果输出模块，其中：

所述基本信息获取模块，用于在用户分组及功率分配周期到来时，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果，并统计已经成功分组的用户组；

所述用户目标速率计算模块，用于计算已经成功分组的用户组中用户的目标速率；

所述组内最小功率计算模块，用于在用户速率大于所述目标速率的前提下，计算每个用户组的预编码矢量，以求得每个用户组所需的最小功率；

所述最小功率分配模块，用于计算每个用户组内用户的功率分配因子，并根据所述功率分配因子将用户组所需的最小功率在用户之间进行分配；

所述功率分配结果输出模块，用于输出每个用户组中的功率分配结果。

进一步地，所述基本信息获取模块中包括缓存读取模块，所述缓存读取模块用于从基站的缓存中读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果。

进一步地，所述用户目标速率计算模块按照下述公式计算用户组中用户的目标速率：

Γ＝log₂(1+γ)

其中，Γ表示用户组中用户的目标速率，γ表示所述用户的目标信干噪比。

进一步地，所述用户目标速率计算模块还用于在计算出用户的目标速率之后，将计算结果存入缓存，并继续计算下一个或者下一组中用户的目标速率。

进一步地，所述组内最小功率计算模块按照下述公式计算每个用户组的中心用户预编码矢量：

其中，ω_i表示用户组i的预编码矢量，h_i,1表示用户组i中用户1的信道矢量，h_i,2表示用户组i中用户2的信道矢量，Γ_i,2表示用户组i中用户2的目标速率，符号H表示共轭转置，符号|| ||表示矢量的二范数。

进一步地，所述组内最小功率计算模块按照下述公式计算每个用户组所需的最小功率：

P_i,min＝min||2ω_i||²

其中，P_i,min表示用户组i所需的最小功率。

进一步地，所述最小功率分配模块按照下述公式计算每个用户组内中心用户的功率分配因子：

β_i,2＝1-β_i,1

其中，β_i,1表示用户组i中用户1的功率分配因子，β_i,2表示用户组i中用户2的功率分配因子，σ_i表示用户组i的加性高斯白噪声，ω_i表示用户组i的预编码矢量，h_i,1表示用户组i中用户1的信道矢量，h_i,2表示用户组i中用户2的信道矢量，符号H表示共轭转置。

进一步地，所述最小功率分配模块在计算功率分配因子时，遵循以下限制条件：

其中，Γ_i,1表示用户组i中用户1的目标速率，Γ_i,2表示用户组i中用户2的目标速率。

另一方面，一种应用于NOMA中的功率分配方法，所述方法包括：

在用户分组及功率分配周期到来时，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果，并统计已经成功分组的用户组；

计算已经成功分组的用户组中用户的目标速率；

在用户速率大于所述目标速率的前提下，计算每个用户组的预编码矢量，以求得每个用户组所需的最小功率；

计算每个用户组内用户的功率分配因子，并根据所述功率分配因子将用户组所需的最小功率在用户之间进行分配；

输出每个用户组中的功率分配结果。

进一步地，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果包括：

从基站的缓存中读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果。

本发明的有益效果在于：

本发明通过NOMA用户组功率最小化求取组内中心用户的预编码矢量，并且获得同组用户满足目标速率的条件下最小功率，且在求得组内最小消耗功率的前提下，对该功率进行用户组内分配，满足用户通信目标速率的前提下使得系统容量最大化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1是应用于NOMA的功率分配机制流程图；

图2是用户目标速率计算模块流程图；

图3是组内最小功率计算模块流程图；

图4是最小功率分配模块流程图；

图5是功率分配结果输出模块流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

请参阅图1至图5，本申请实施方式提供一种应用于NOMA中的功率分配系统，所述系统包括基本信息获取模块、用户目标速率计算模块、组内最小功率计算模块、最小功率分配模块以及功率分配结果输出模块，其中：

所述基本信息获取模块，用于在用户分组及功率分配周期到来时，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比SNR以及用户分组结果，并统计已经成功分组的用户组；

所述用户目标速率计算模块，用于计算已经成功分组的用户组中用户的目标速率；

所述组内最小功率计算模块，用于在用户速率大于所述目标速率的前提下，计算每个用户组的预编码矢量，以求得每个用户组所需的最小功率；

所述最小功率分配模块，用于计算每个用户组内用户的功率分配因子，并根据所述功率分配因子将用户组所需的最小功率在用户之间进行分配；

所述功率分配结果输出模块，用于输出每个用户组中的功率分配结果。

在本实施方式中，所述基本信息获取模块中包括缓存读取模块，所述缓存读取模块用于从基站的缓存中读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果。

在本实施方式中，所述用户目标速率计算模块按照下述公式计算用户组中用户的目标速率：

Γ＝log₂(1+γ)

其中，Γ表示用户组中用户的目标速率，γ表示所述用户的目标信干噪比。

在本实施方式中，所述用户目标速率计算模块还用于在计算出用户的目标速率之后，将计算结果存入缓存，并继续计算下一个或者下一组中用户的目标速率。

在本实施方式中，所述组内最小功率计算模块按照下述公式计算每个用户组的中心用户预编码矢量：

其中，ω_i表示用户组i的预编码矢量，h_i,1表示用户组i中用户1的信道矢量，h_i,2表示用户组i中用户2的信道矢量，Γ_i,2表示用户组i中用户2的目标速率，符号H表示共轭转置，符号|| ||表示矢量的二范数。

在本实施方式中，所述组内最小功率计算模块按照下述公式计算每个用户组所需的最小功率：

P_i,min＝min||2ω_i||²

其中，P_i,min表示用户组i所需的最小功率。

在本实施方式中，所述最小功率分配模块按照下述公式计算每个用户组内中心用户的功率分配因子：

β_i,2＝1-β_i,1

其中，β_i,1表示用户组i中用户1的功率分配因子，β_i,2表示用户组i中用户2的功率分配因子，σ_i表示用户组i的加性高斯白噪声，ω_i表示用户组i的预编码矢量，h_i,1表示用户组i中用户1的信道矢量，h_i,2表示用户组i中用户2的信道矢量，符号H表示共轭转置。

在本实施方式中，所述最小功率分配模块在计算功率分配因子时，遵循以下限制条件：

其中，Γ_i,1表示用户组i中用户1的目标速率，Γ_i,2表示用户组i中用户2的目标速率。

具体地，本发明的系统中包括基站和小区中用户，其中小区用户已经按照应用于NOMA中的用户成组算法成组。本实施方式主要针对一个小区中的2组NOMA用户，本实施方式通过以下步骤实现应用于NOMA中的功率分配机制。

NOMA用户分组及功率分配周期到来，基站读取用户信道状态、用户目标信干噪比和用户分组结果，统计已成功分组的用户组。基站读取到成组用户i＝{U_i,1，U_i,2}，用户U_1,1信道状态矢量为h_1,1＝[2,1]^T，用户U_1,2信道状态矢量为h_1,2＝[1,0]^T，用户U_1,1目标信干噪比γ_1,1＝1，用户U_1,1目标信干噪比γ_1,2＝1；用户U_2,1信道状态矢量为h_2,1＝[1,3]^T，用户U_2,2信道状态矢量为h_2,2＝[0,1]^T，用户U_2,1目标信干噪比γ_2,1＝1，用户U_2,2目标信干噪比γ_2,2＝1，

基站调用由基本信息获取模块得到的第1组和第二组用户分组结果{U_1,1，U_1,2},{U_2,1，U_2,2}，和用户目标信干噪比γ_1,1，γ_1,2，γ_2,1,γ_2,2。i＝1时，计算用户组1中用户目标速率，Γ_1,1＝log₂(1+1)＝1，Γ_1,2＝log₂(1+1)＝1。计算结束后，将计算结果存入缓存，i加1计算第2组用户目标速率，Γ_2,1＝log₂(1+1)＝1，Γ_2,2＝log₂(1+1)＝1存入缓存。

组内最小功率计算模块提取目标速率计算模块中用户的目标速率Γ_1,1＝1，Γ_1,2＝1，Γ₂,₁＝1，Γ_2,2＝1根据用户速率大于目标速率的条件，计算出最小预编码矢量

进而求得第1组用户所需最小功率P_1,min＝||2ω_i||²＝0.792，即29dBm，将计算结果存入缓存，计算第2组用户所需最小功率：

进而求得第2组用户所需最小功率P_2,min＝||2ω₂||²＝0.18，即23dBm。

根据公式计算第1组用户中心用户功率分配因子：

此外，根据公式：

基站根据上述最小功率分配模块的功率分配结果分配各组所需最小发射功率。并等待下一个功率分配周期。

在本实施方式中，在计算最小功率时，可以遵循以下限制条件：

其中，为第i个用户组中用户1的速率，用户1为靠近小区中心的用户。因为用户1和用户2被分为一组，用户1又为靠近小区中心的用户，因此，用户1和用户2均采用用户1的预编码矢量，以便二者采用相同的波束赋形矢量。其中为用户2在用户1处能够解调的速率。σ_i,1²和σ_i,2²表示第i组用户的加性高斯白噪声。用户2处解调用户2信号速率可表示为：

其中表示用户2受到的来自其他用户组的干扰。

本申请还提供一种应用于NOMA中的功率分配方法，所述方法包括：

在用户分组及功率分配周期到来时，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果，并统计已经成功分组的用户组；

计算已经成功分组的用户组中用户的目标速率；

在用户速率大于所述目标速率的前提下，计算每个用户组的预编码矢量，以求得每个用户组所需的最小功率；

计算每个用户组内用户的功率分配因子，并根据所述功率分配因子将用户组所需的最小功率在用户之间进行分配；

输出每个用户组中的功率分配结果。

在本实施方式中，读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果包括：

从基站的缓存中读取用户信道状态信息、用户目标信干噪比以及用户分组结果。

在本实施方式中，整个流程可以如下所述：

NOMA用户分组及功率分配周期到来，基站读取用户信道状态、用户目标信干噪比和用户分组结果，统计已成功分组的用户组。

基站调用由基本信息获取模块得到的各组用户分组结果和用户目标信干噪比。根据Γ＝log₂(1+γ)来计算用户目标速率。i＝1时，计算结束后，将计算结果存入缓存，i加1计算第i+1组用户目标速率，直至计算完所有组用户的目标速率存入缓存。

组内最小功率计算模块提取目标速率计算模块中用户的目标速率，根据用户速率大于目标速率的条件，计算出最小预编码矢量，进而求得第i组用户所需最小功率，将计算结果存入缓存；计算下一组用户所需最小功率，直至计算完所有组用户的最小功率。

最小功率分配模块提取组内最小功率计算模块中得到的各个用户组所需的最小功率，用户速率大于目标速率，边缘用户速率大于采用OMA方式速率的条件，求取满足总容量最大的功率分配因子并将结果存入缓存。求取下一组功率分配因子，直至求出所有组功率分配因子。

基站通过功率分配结果分配各组所需最小发射功。并等待下一个功率分配周期。

本发明的有益效果在于：

本发明通过NOMA用户组功率最小化求取组内中心用户的预编码矢量，并且获得同组用户满足目标速率的条件下最小功率，且在求得组内最小消耗功率的前提下，对该功率进行用户组内分配，满足用户通信目标速率的前提下使得系统容量最大化。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。