单小区NOMA系统中的功率分配方法与流程

本发明属于通信领域，尤其涉及一种单小区noma系统中的功率分配方法。

背景技术：

非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess,noma)技术是5g的关键技术之一，具有较高的系统吞吐量和频谱效率，能满足无线数据业务量的爆炸式增长。noma技术在发送端为用户分配功率并将他们的信号复用在同一时频资源上，主动引入多址干扰，接收端通过串行干扰消除(successiveinterferencecancellation,sic)技术消除干扰并检测期望接收的信号。功率分配不仅关系到各用户信号的检测次序，还影响到系统的可靠性和有效性，因此，noma系统中的功率分配是近年的研究热点之一。

很多文献对单小区下行noma系统中功率分配方案进行了研究，其中功率分配的目标主要分为三类：最大化速率、最大化能量效率及最大公平。最大化速率的功率分配方案以总功率或单个用户的速率作为约束条件，采用注水算法或其他算法求解能最大化所有用户的和速率的功率分配。最大化能量效率的功率分配方案也以总功率或单个用户的速率作为约束条件，以最大化用户的和速率与总功率的比值为目标求解为各用户分配的功率。文献“onoptimalpowerallocationfordownlinknon-orthogonalmultipleaccesssystems”提出了最大公平功率分配方案，使得所有用户的速率都相同，实现了用户在速率上的公平性。然而，该方案仅限于每个簇包含两个用户的场景，并且没有考虑到满足sic时对系统总功率的约束，有可能导致无法正确检测信号。

技术实现要素：

本发明提出了单小区noma系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和mk个用户的单天线下行noma系统且用户和基站都配置单天线。

实现本发明的技术思路是：基站将用户分簇并为用户簇分配正交的子频段，基站根据信道条件基站计算满足串行干扰消除时每个簇所需的最低总功率以及系统所需的最低总功率，以单个簇所需的最低功率作为约束条件，计算该簇内所有用户的速率都相同时为每个用户分配的功率与该簇的总功率之间的关系，基于此结果，以系统所需的最低总功率作为约束条件，求解mk个用户的速率都相同时为每个簇分配的功率，最后为每个簇内的每个用户分配功率。

综上所述，一种单小区noma系统中的功率分配方法，适用于包括1个基站和mk个用户的单天线下行noma系统且用户和基站都配置单天线，包括如下步骤：

a，基站将mk个用户分为k个簇，每个簇包含m个用户，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；

b，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，基站到ukm的信道为hkm，|hk1|²≥|hk2|²≥…≥|hkm|²，用r0表示正确检测信号时对信干噪比(signaltointerferenceandnoiseratio,sinr)的最低要求，基站根据hkm和r0计算满足串行干扰消除(serialinterferencecancellation,sic)时ukm所需的最低功率，用pkm0表示，m＝1时，时，σ²是用户接收到的噪声方差，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数；

c，基站计算满足sic时第k个簇所需的最低总功率pk0以及系统所需的最低总功率pmin，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数；

d，用pk表示第k个簇内所有用户的总功率，k＝1,2,…,k，令pk≥pk0，pk0是步骤c求得的第k个簇所需的最低功率，以每个簇所需的最低总功率作为约束条件，基站求解该簇内所有用户的速率都相等时为每个用户分配的功率与该簇的总功率之间的关系；

e，用pk表示第k个簇内所有用户的总功率，用pmax表示基站的总功率，令pmax≥pmin，pmin是步骤c求得的系统所需的最低总功率，以系统所需的最低总功率作为约束条件，基站求解mk个用户的速率都相等时为每个簇分配的功率与系统总功率之间的关系；

f，将步骤e中得到的pk′代入步骤d中得到的函数fpkm(pk)，得到fpkm(pk′)，fpkm(pk′)就是为第k个簇内的第m个用户分配的功率，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数。

进一步，所述步骤d具体包括：

d1，用pkm表示为ukm分配的功率，将pk视为已知变量，将pkm视为未知变量，基站求解方程组(1)，得到多组解，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数；

d2，从步骤d1得到的多组解中选出pk1、pk2、…、pkm均为正数且都小于pk的一组，用函数fpkm(pk)表示求解式(1)得出的pkm与pk的关系，该函数与m的取值有关，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数。

进一步，所述步骤e具体包括：

e1，将pmax视为已知变量，将pk视为未知变量，基站求解方程组(2)，得到多组解，k＝1,2,…,k，k是簇的总数；

e2，从步骤e1得到的多组解中选出每个簇的总功率均为正数且都小于pmax的一组解，用p1′、p2′、…、pk′表示该组解。

有益效果：本发明公开的方法将最大公平的功率分配方案扩展到每个簇包含任意用户的场景，推导了在满足sic时每个簇所需的最低总功率以及系统所需的最低总功率，在满足sic的同时，实现了用户在速率上的公平性。

附图说明

图1是本发明实施例的系统模型；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。如图1所示，考虑包含1个基站和mk个用户的下行noma系统，基站和用户都配置单根天线。用户被分为k个簇，每个簇包含m个用户，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m。基站到ukm的信道为hkm，|hk1|²≥|hk2|²≥…≥|hkm|²。基站为第k个簇分配的总功率为pk，其中ukm的功率为pkm，pk1≤pk2≤…≤pkm，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交。

用ykm表示ukm的接收信号，ykm的表达形式为

其中，xkm是ukm的期望接收信号，nkm是ukm接收到的高斯白噪声，均值为零方差为σ²。

uk1进行串行干扰消除(successiveinterferencecancellation,sic)，即首先检测出xkm，并消除该信号对yk1造成的干扰，然后再检测xk(m-1)，并消除该信号对yk1造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对yk1造成的干扰，直至检测出xk1。uk1检测xkm时的信干噪比(signaltointerferenceandnoiseratio,sinr)为

同理，ukj检测xkm时的sinr为

其中，j≤m，m＝1,2,…,m，j＝1,2,…,m。

假定r0是正确检测信号时对sinr的最低要求，为了执行sic，ukj检测xkm时的sinr必须不低于r0，因此，要求下式成立

由此可推出，pkm的取值满足

令l(|hkj|²)是的|hkj|²单调递减函数。由于|hk1|²≥|hk2|²≥…≥|hkm|²，当j＝m时，l(|hkj|²)达到最大值，即式(5)可化为

令式(6)中的m＝1，得到pk1的取值范围为

令式(6)中的m＝2，得到pk2的取值范围为

令式(6)中的m＝3，得到pk3的取值范围为

令式(6)中的m＝4，得到pk4的取值范围为

采用归纳法可得，m＝2,3,…,m时，pkm的取值满足下式

用pkm0表示ukm进行sic以及正确检测期望信号所需的最低功率。m＝1时，m＝2,3,…,m时，pkm0的取值为

由式(12)可得出，当i<j时，pki0<pkj0，即在同一个簇内，用户的信道增益越低，所需的最低功率越高。用pk0表示第k个簇内的所有用户进行sic以及正确检测期望信号所需的最低总功率，则pk0的取值为

若第k个簇的总功率低于pk0，则不能保证该簇内sic的顺利执行，从而无法正确检测所有的期望信号。用pmin表示满足sic以及正确检测期望信号时系统所需的最低总功率，pmin的取值为

用rkj表示ukj的单位带宽速率，rkj表示为

第k个簇内所有用户的单位带宽速率之和为

系统中mk个用户的单位带宽速率之和为

假定基站的总功率pmax≥pmin，否则无法保证每个簇内sic的顺利执行。以最大公平为目标的功率分配用公式表示为：

其中，约束条件c1表示系统的总功率为pmax，约束条件c2表示单个簇的总功率不能低于该簇所需的最低功率，约束条件c3用于保证sic的顺利执行。

求解式(18)就能得到pmax≥pmin时最大公平的功率分配。然而，式(18)的求解需要遍历所有可能的功率分配，复杂度极高，为此首先考虑单个簇内最大公平的功率分配，然后再考虑簇间最大公平的功率分配。

假定第k个簇的总功率pk不低于pk0，求解该簇的与该簇的总功率pk之间的关系，用公式表达为

其中，约束条件c1表示该簇的总功率不能低于该簇所需的最低功率，约束条件c2表示满足sic时第k个簇的每个用户的功率需要满足的条件。由前面的分析知，式(19)中的约束条件c2等价表示为

在第k个簇的总功率pk保持不变的情况下，增大pkj时，ukj的速率增大且至少会有一个用户的速率减小，所以只有当rk1＝rk2＝…＝rkm时，才能最大化min{rkj,j＝1,2,…,m}。当该簇的总功率为pk0且第m个用户的功率为pkm0时，该簇内所有用户的速率相同，每个用户的速率均为log2(1+r0)，若该簇的总功率大于等于pk0，则所有用户的速率都相同时，用户的速率不低于log2(1+r0)。因此，当m≥j时，结合式(6)推导可得，从而满足了式(19)中的约束条件c2。

rk1＝rk2＝…＝rkm等价于式(20)成立

考虑到式(20)等价于以下方程组

求解该方程组，就能得到第k个簇内的所有用户的速率相等时每个用户的功率，即pk1、pk2、…、pkm与pk的关系。具体的公式与m的取值有关，并且公式较长，不在此列出。求出的解有多组，选出pk1、pk2、…、pkm均为正数且都小于pk的一组作为式(19)的解。用函数fpkm(pk)表示求解该方程组得出的pkm与pk的关系，此时该簇内所有用户的速率均为

求解出式(19)后，式(18)等效表示为

其中，约束条件c1表示系统的总功率为pmax，约束条件c2表示单个簇的功率约束。式(18)中求mk个用户的功率分配，式(22)中求k个簇的功率分配，式(22)是式(18)的简化表达形式。

在总功率pmax保持不变的情况下，pk增大时，第k个簇的会增大，但至少会有一个簇内用户最低速率的最大值减小，所以只有当所有用户的速率相同时，才能最大化所有用户速率的最小值，此时所有簇的所有用户的速率都相等。可通过求解式(23)中的方程组得到所有用户的速率都相等时的功率分配。

求解方程组(23)，能得到多组解，从中选出每个簇的总功率均为正数且都小于pmax的一组解，用p1′、p2′、…、pk′表示该组解。将pk′带入fpkm(pk)得到的值就是为第k个簇内的第m个用户分配的功率，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，该功率分配能使得mk个用户的速率都相同。

结合本发明的流程图即图2，单小区noma系统中最大公平的功率分配方法的具体步骤如下：

a，基站将mk个用户分为k个簇，每个簇包含m个用户，基站为每个簇分配一个子频段，簇间子频段正交；

b，用ukm表示第k个簇中的第m个用户，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，基站到ukm的信道为hkm，|hk1|²≥|hk2|²≥…≥|hkm|²，用r0表示正确检测信号时对信干噪比(signaltointerferenceandnoiseratio,sinr)的最低要求，基站根据hkm和r0计算满足串行干扰消除(serialinterferencecancellation,sic)时ukm所需的最低功率，用pkm0表示，m＝1时，时，σ²是用户接收到的噪声方差，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数；

c，基站计算满足sic时第k个簇所需的最低总功率pk0以及系统所需的最低总功率pmin，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数；

d，用pk表示第k个簇内所有用户的总功率，k＝1,2,…,k，令pk≥pk0，pk0是步骤c求得的第k个簇所需的最低功率，以每个簇所需的最低总功率作为约束条件，基站求解该簇内所有用户的速率都相等时为每个用户分配的功率与该簇的总功率之间的关系；

e，用pk表示第k个簇内所有用户的总功率，用pmax表示基站的总功率，令pmax≥pmin，pmin是步骤c求得的系统所需的最低总功率，以系统所需的最低总功率作为约束条件，基站求解mk个用户的速率都相等时为每个簇分配的功率与系统总功率之间的关系；

f，将步骤e中得到的pk′代入步骤d中得到的函数fpkm(pk)，得到fpkm(pk′)，fpkm(pk′)就是为第k个簇内的第m个用户分配的功率，k＝1,2,…,k，m＝1,2,…,m，k是簇的总数，m是每个簇中包含的用户数。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。