非正交多址链路中信道带宽与功率联合分配的线性搜索方法与流程

文档序号:14448120

本发明涉及无线网络中一种基于下行非正交多址接入(NOMA)系 统的带宽与功率联合分配的线性搜索方法。



背景技术:

在第5代移动通信技术中为了获得高频谱效率和大规模连接,非 正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术被提出来, 与传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术不同, NOMA通过非正交资源分配可以服务更多用户,通过使大量用户同时 共享同一频段信道和采用连续干扰消除机制(Successive Interference Cancellation,SIC)消除同频干扰可以明显提高频谱效率。因此,NOMA 很好的契合未来5G蜂窝网络的最终目标,可以提供超高吞吐量和超 密集连接。



技术实现要素:

为了克服现有正交多址接入技术的不进行带宽与功率的联合考虑、 资源消耗较大的不足,本发明提供一种非正交多址链路中信道带宽与 功率联合分配的线性搜索方法,在无线蜂窝网络中应用NOMA技术 进行数据发送,将带宽与功率联合考虑,在满足所有MU数据流量需 求的前提下实现系统中资源消耗量最小化。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:

一种非正交多址链路中信道带宽与功率联合分配的线性搜索方法, 包括以下步骤:

1)在mBS的覆盖范围下总共有T个移动用户(Mobile Users,MU), 在该情况下,mBS使用NOMA技术发送数据,考虑到NOMA的技术 特性,引入索引集表示T个MU,首先,由于连续 干扰消除机制SIC,对mBS到所有MU的信道增益按照从大到小进行 排序,故有以下顺序:

gB1>gB2>…>gBj>gBi>…>gBT (1)

其中gBi表示mBS到第i个MU的信道增益,在接下来的说明 中提到的第i个MU或第j个MU均是在索引集中的;

2)在mBS端,每个MU的瞬时信道增益都是已知的,基 于NOMA,mBS会将所有的数据叠加在同一频段上发送给每个MU。 在MU端,使用SIC消除MU之间的部分同频干扰;MUi、MUk和MUj中, 对于MUi,在接收数据中首先解码MUk的数据,k>i,即特指MUk排 列在MUi后面,然后将解码后的数据从接收数据中删除,操作顺序是 k=T,T-1,T-2,…,i+1,同时将MUj的数据信号视为噪声,j<i,即特指 MUj排列在MUi前面,MUj表示排列在第j个MU;MUi表示排列在第 i个MU;MUk表示排列在第k个MU;根据以上的解码机制,由mBS 到MUi的吞吐量为:

其中相关参数定义如下:

pBi:mBS到MUi的发射功率;

RBi:mBS到MUi的数据吞吐量;

WB:服务该组移动用户而分配的带宽量;

n0:背景噪声的功率谱密度;

3)考虑单个mBS的情形,在实现系统总资源消耗最小的情况下同 时满足所有移动用户的数据需求,设置了如下限制条件:

其中表示MUi的数据需求;

在无线网络中,宏蜂窝基站mBS通过非正交多址接入NOMA发 送数据,并且应用连续干扰消除机制SIC消除mBS在使用同一信道 发送数据过程中而产生的部分同频干扰,在保证满足每个MU数据需 求的情况下最小化系统资源消耗(Total Consumption Minimization, TCM),将这个优化问题描述为如下所示:

(TCM):

subject to:

variables:

其中相关参数定义如下:

mBS的总功率;

mBS拥有的总带宽;

问题TCM中涉及的α与β分别表示功率的价格系数与带宽的价格 系数,也就是说,使用单位功率所造成的花费是α,使用单位带宽所 造成的花费是β;

所述优化问题是一个联合考虑带宽与功率分配的问题,问题的最 优解也就是在满足移动用户数据需求的情况下系统资源消耗最小值。

进一步,所述方法还包括以下步骤:

4)问题TCM是由功率pBi和带宽WB共同决定的,分析问题特性等 价转化为带宽分配问题,引入βBi来表示mBS到MUi的信号与干扰加 噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR),即:

在此假设是给定的,通过以上公式可递归计算出mBS到MUi的 最小发射功率,表示如下:

根据此式获得mBS到所有移动用户的最小总发射功率表示如下:

其中假设gB0是一个足够大的值,故

5)将WB视为变量,同时应用最小总功率表达式,便将TCM问题等 价转化为如下的带宽分配(Bandwidth-Allocation,BA)问题:

(BA):

subject to:

variables:WB>0.

经过该步等价转化问题BA相较于问题TCM只拥有一个决策变量WB, 变得更容易求解;

引入一个变量代换表示如下:

当有此代换公式,结合最小总发射功率表达式便可以对问题BA 做等价转化,引入额外变量v,将原本的“BA”问题等价变换为BA-EV 问题,得到的BA-EV问题表示如下:

BA-EV:

subject to:

variables:

6)问题BA-EV中的v表示的是系统资源消耗,其中 很显然BA-EV问题已经是一个单变量 问题,要求最小的v值,可以直接对v进行求导,其导数为:

从上式(14)中无从得知v’是否存在零点,所以继续求v’的导数v”, 恒 成立,所以v’是单调递增的;又因为所以v’ 函数必存在零点x*,v在x*处取得最小值,接下来就通过二分法来求确 定的x*值;同时引入额外变量p,其中表 示实际总的功率消耗,恒成立,所以p单调递增,用二分法可以求出xp点,使得

7)二分法来求系统资源消耗的最小时的带宽分配x*的值,进而求 出最小的资源消耗,包括以下步骤:

S1:输入上限值x_max,下限值x_min,结束循环的阈值tol;

S2:计算v’(x_max)和v’(x_min)的值,如果满足

v’(x_max)*v’(x_min)<0,则令x_med=(x_max+x_min)/2;

S3:如果v’(x_med)*v’(x_min)<0,则x_max=x_med,如果

v’(x_med)*v’(x_min)>0,则x_min=x_med,否则,直接跳到步骤S5;

S4:如果(x_max-x_min)<tol则直接跳出循环,进入步骤S5,否则, 继续循环,跳到步骤S2;

S5:令x_1=x_med,如果则x*=x_1,v*=v(x*),如果

8)通过使用算法Sol-BA的输出值求解原始问题TCM,获得最优带 宽分配为:

通过递归计算得每个移动用户MUi的最优功率分配为:

本发明的技术构思为:首先,在无线网络中,有1个宏蜂窝基站 (macro Base Station,mBS)通过非正交多址接入(NOMA)为T个移动用 户(Mobile Users,MU)发送数据,使用NOMA可以提升系统频谱效率。 接着,应用连续干扰消除机制(SIC)消除部分同频干扰提升系统数据传 输质量。然后,在满足所有移动用户(MU)数据流量需求的情况下最小 化系统资源消耗。该问题是一个多变量问题,通过一系列的等价变化 将其转化为单变量问题,通过求导来确定资源消耗函数的增减性,最 后设计二分法算法来求出最优的带宽分配实现资源消耗最少,进而实 现本发明的目标。

本发明的有益效果主要表现在:1、对于整体系统而言,引入 NOMA技术不仅契合未来第五代移动通信技术(5G)的发展要求,同时 提升频谱使用效率;2、将带宽分配与功率分配两个不同的问题联合考 虑,实现系统整体资源消耗最小化。

附图说明

图1是应用本发明方法的无线网络中包含一个宏蜂窝基站(mBS) 与若干移动用户(MU)的系统模型示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步详细描述。

参照图1,一种非正交多址链路中信道带宽与功率联合分配的线 性搜索方法,使用该方法能够在满足所有MU的数据需求的条件下, 最小化系统总资源消耗,同时提升频谱使用效率。本发明应用于无线 蜂窝网络中(如图1所示),mBS使用NOMA发送数据,引入SIC消 除部分同频干扰,同时考虑到满足所有MU的数据流量需求。针对该 问题提出的联合控制方法有如下的步骤:

1)在mBS的覆盖范围下总共有T个移动用户(Mobile Users,MU), 在该情况下,mBS使用NOMA技术发送数据。考虑到NOMA的技术 特性,引入索引集表示T个MU。首先,由于连续 干扰消除机制(SIC),对mBS到所有MU的信道增益按照从大到小进 行排序,故有以下顺序:

gB1>gB2>…>gBj>gBi>…>gBT (1)

其中gBi表示mBS到第i个MU的信道增益,在接下来的说明 中提到的第i个MU(或第j个MU)均是在索引集中的。

2)在mBS端,每个MU的瞬时信道增益都是已知的。基 于NOMA,mBS会将所有的数据叠加在同一频段上发送给每个MU。 在MU端,使用SIC消除MU之间的相互干扰。以MUi、MUk和MUj为 例说明SIC的工作原理,对于MUi,在接收数据中首先解码MUk(k>i, 即特指MUk排列在MUi后面)的数据,然后将解码后的数据从接收数据 中删除(具体的操作顺序是k=T,T-1,T-2,…,i+1),同时将MUj(j<i, 即特指MUj排列在MUi前面)的数据信号视为噪声,MUj表示排列在第j 个MU;MUi表示排列在第i个MU;MUk表示排列在第k个MU。根 据以上的解码机制,由mBS到MUi的吞吐量为:

其中相关参数定义如下:

pBi:mBS到MUi的发射功率;

RBi:mBS到MUi的数据吞吐量;

WB:服务该组移动用户而分配的带宽量;

n0:背景噪声的功率谱密度。

3)考虑单个mBS的情形,在实现系统总资源消耗最小的情况下同 时满足所有移动用户的数据需求,设置了如下限制条件:

其中表示MUi的数据流量需求。

在无线网络中,宏蜂窝基站(mBS)通过非正交多址接入(NOMA) 发送数据,并且应用连续干扰消除机制(SIC)消除mBS在使用同一信 道发送数据过程中而产生的部分干扰,在保证满足每个MU数据需求 的情况下最小化系统资源消耗(Total Consumption Minimization,TCM), 将这个优化问题描述为如下所示:

(TCM):

subject to:

variables:

其中相关参数定义如下:

mBS的总功率;

mBS所具备的总带宽;

在问题TCM中涉及的α与β分别表示功率的价格系数与带宽的价 格系数,也就是说,使用单位功率所造成的花费是α,使用单位带宽 所造成的花费是β;

这是一个联合考虑带宽与功率分配问题,问题的最优解也就是在满 足移动用户数据需求的情况下最小化系统资源消耗值。

4)问题TCM是由功率pBi和带宽WB共同决定的,通过分析问题特 性等价转化为带宽分配问题。引入βBi来表示mBS到MUi的信号与干 扰加噪声比(Signal to Interference plus Noise Ratio,SINR),即:

在此假设是给定的,通过以上公式就可以递归计算出mBS到 MUi的最小发射功率,表示如下:

观察(8)发现MUi的功率分配随着{βBj}j≤i的增大而增大,与(6)结合,得 出结论:当每个MUi有就可得问题TCM的 全局最优解。

由此可得mBS到所有移动用户的最小总发射功率表示如下:

其中假设gB0是一个足够大的值,因此

对于以上的结论,通过数学归纳法(forward-deduction)来证明,且 有如下的证明过程:

步骤4.1:在T=1时,由结论可得与mBS到MUi的最小发射功率表达式相一致;

步骤4.2:在T>1时,假设对于结论都是成立的;

步骤4.3:我们进一步添加第i+1个MU,同时保证gBT>gBT+1。 当证明下式成立即可证明提出的结论正确;

步骤4.4:对步骤4.3的证明;

a.对于T+1有

b.因此得

证明完毕。

5)将WB视为变量,同时应用最小总功率表达式,便可以将TCM 问题等价转化为如下的带宽分配(Bandwidth-Allocation,BA)问题:

(BA):

subject to:

variables:WB>0

经过该步等价转化问题BA相较于问题TCM只拥有一个决策变量WB, 变得更容易求解。

尽管如此,要直接求解该问题还是很困难的,于是引入一个变量 代换表示如下:

当有此代换公式,结合最小总发射功率表达式便可以对问题BA 做等价转化,引入额外变量v,将原本的“BA”问题等价变换为BA-EV 问题,得到的BA-EV问题表示如下:

BA-EV:min v

subject to:

variables:

6)问题BA-EV中的v表示的是系统资源消耗,其中 很显然BA-EV问题已经是一个单变量 问题,要求最小的v值,可以直接对v进行求导,其导数为:

从上式(14)中无从得知v’是否存在零点,所以继续求v’的导数v”, 恒 成立,所以v’是单调递增的;又因为所以v’ 函数必存在零点x*,v在x*处取得最小值,接下来就通过二分法来求确 定的x*值;同时引入额外变量p,其中表示实际总的功率消耗,恒成立,所以p单调递增,用二分法可以求出xp点,使得

7)二分法来求系统资源消耗的最小时的带宽分配x*的值,进而求 出最小的资源消耗,包括以下步骤:

S1:输入上限值x_max,下限值x_min,结束循环的阈值tol;

S2:计算v’(x_max)和v’(x_min)的值,如果满足

v’(x_max)*v’(x_min)<0,则令x_med=(x_max+x_min)/2;

S3:如果v’(x_med)*v’(x_min)<0,则x_max=x_med,如果

v’(x_med)*v’(x_min)>0,则x_min=x_med,否则,直接跳到步骤S5;

S4:如果(x_max-x_min)<tol则直接跳出循环,进入步骤S5,否 则,继续循环,跳到步骤S2;

S5:令x_1=x_med,如果则x*=x_1,v*=v(x*),如果

8)通过使用二分法求解原始问题(TCM),获得最优带宽分配为:

通过递归计算得每个移动用户MUi的最优功率分配为:

因此通过本发明的算法成功解决了该问题。

本实例中,图1是本发明考虑的蜂窝数据网络中一个宏蜂窝基站 (mBS)和T个移动用户(MU)的系统模型图。在该系统中,主要考虑的 技术要点包括以下部分:1)mBS通过NOMA发送数据;2)因为mBS 是在同一频段上为所有MU发送数据,故引入SIC消除部分同频干扰; 3)满足每个MU的数据流量需求。根据以上技术要点,本发明提出了 系统总资源消耗的优化问题,该问题是一个多变量问题,通过一系列 的等价变化将其转化为单变量问题,通过求导来确定资源消耗函数的 增减性,最后设计二分法算法来求出最优的带宽分配实现资源消耗最 少,进而实现本发明的目标。

本实例着眼于在同时满足移动用户(MU)数据流量需求的前提下, 最小化系统总资源消耗代价,提升系统频谱效率。本发明的工作可以 使得无线蜂窝网络中的移动用户获得较为优质且较为廉价的服务,进 一步的能够实现整个系统的功率和频谱资源配置更优化,利用率更高。

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