NOMA小小区最大速率最小功率的联合优化方法与流程

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及noma小小区最大速率最小功率的联合优化方法。

背景技术：

近年来，非正交多址接入(noma)因其高频谱效率、低传输延迟的特点被认为是一种很有前途的5g技术，因此在第五代(5g)和移动通信网络中一起了学术界和业界的广泛关注。与传统的正交多址接入技术相比，noma的显著特征是允许多个用户通过叠加编码在相同的频谱和时间资源上传输不同的叠加信号，而在接收端则利用sic对信号进行提取。此外，noma可以通过将更多的发送功率分配给远端的用户，而将更少的功率分配给近端的用户，以此来确保用户的公平性。

然而，到目前为止，大多数研究都是通过提高noma系统的频谱频率或能量效率来解决单目标优化问题。例如，在noma系统中以最小用户速率的前提下来提高总容量，或者通过解决非凸问题来实现有效的用户关联、子载波分配以及功率控制，从而使得系统的总速率最大。但是当最大化单一目标功能不足以满足要求的话，可能还需要存在动态通信场景。这就要求对多目标优化问题同时进行多个目标的优化。例如，联合优化多用户noma网络的传输功率使得频谱效率和能量效率同时最大化，而往往都仅限于单小区的情况。

技术实现要素：

本发明提出了基于noma的小小区系统中联合最大和速率与最小总功率的优化方案，适用于包括一个宏基站、k个小小区基站，每个小区有i个用户的系统，基站和用户都配置单天线。

本发明是根据用户最小服务质量以及最大传输功率限制和确保接受端的sic解码的条件下求解最大和速率与最小总功率，建立满足小于最大传输功率和大于最小传输速率求解最大和速率与最小总功率的优化问题，求解该优化问题，将多目标函数转化为单一目标函数，利用修正向量多次迭代直至收敛得到最优解。

基于noma的小小区系统中最大和速率与最小总功率的优化方法，适用于包括一个宏基站、k个小小区基站以及k×i个用户的系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：

a，用uk，i表示第k个小小区中的第i个用户，每个用户只属于所在小小区，uk，i到所在小小区基站的信道为hk，i，|hk，1|≤|hk，2|≤…≤|hk，i|≤…≤|hk，i|，pk，i是第k个小小区基站对它所服务的第i个用户的发射功率，pk，1＞pk，2＞…＞pk，i＞…＞pk，i，rk，i是传输速率。每个用户只能接受一个小小区基站的服务，用表示该用户与基站否有服务关系；

b，基站构建最大和速率与最小总功率的联合优化问题，

基站将优化问题转化为

其中ξ表示加权系数，0≤ξ≤1。

约束条件表示一个用户只能被服务于一个小小区基站，约束条件表示传输速率要大于最小qos阈值qmin，约束条件表示发射功率要小于基站的限制功率，约束条件表示要确保接受端的sic解码过程。

c，基站求解步骤b中的优化问题，得到优化后的最大和速率和最小总功率，

其中，c1，小小区基站之间会产生信道干扰，传输速率表示为

rk,i＝log2(1+γk，i)

γk，i是信干噪比，表示式如下

表示sic译码过程后的用户间干扰，表示来自附近s基站的干扰，σ²表示加性高斯白噪声的方差；

c2，因为b的单一目标函数是非凸的，采取二次序列规划的方法；

定义矩阵

j是雅可比矩阵，h海森矩阵，可得雅克比矩阵为

其中

而

pt(p)＝[pk，1-pt，pk，2-pt，…，pk，i-pt]^t可以得到海森矩阵

c3，令拉格朗日函数为：

c4，(pk，i，λi，μi，ηi)可使用修正向量进行迭代更新，用式子β＝-[ζl(p)^tζl(λ)^tζl(μ)^tζl(η)^t]^t×z^-1计算β，式中ζl(p)，ζl(λ)，ζl(μ)，ζl(η)代表拉格朗日函数的梯度；

使用下式进行迭代

设置迭代次数初始值为t＝0，更新传输速率，每更新一次，t＝t+1，代表了步长；

d，若(pk，i，λi，μi，ηi)不收敛，重复c4过程直至收敛，求得最终优化结果。若(pk，i，λi，μi，ηi)仍旧不收敛，重复计算c2过程中的矩阵z，直至收敛，使t＝t+1，重复该过程d，直至得到最终优化结果。

有益效果

与已有的noma系统中最大化能量效率的功率分配方案相比，本发明公开的方法考虑到了最低用户服务质量和最大限制功率，将和速率最大与总功率最小的多目标函数转换为单一目标函数，更好的应用在小小区蜂窝网络系统中。

附图说明

图1为本发明实施例的系统模型；

图2为本发明的流程图；

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实例中的技术方法，下面将结合附图对本发明做进一步详细说明。如图1所示，考虑一个宏基站和k个小小区基站以及k×i个用户的noma系统，基站和用户都配置单天线。uk，i表示第k个小小区中的第i个用户，每个用户只属于所在小小区，uk，i到所在小小区基站的信道为hk，i，|hk，1|≤|hk，2|≤…≤|hk，i|≤…≤|hk，i|，pk，i是第k个小小区基站对它所服务的第i个用户的发射功率，pk，1＞pk，2＞…＞pk，i＞…＞pk，i，rk，i是传输速率。每个用户只能接受一个小小区基站的服务，用表示该用户与基站是否有联系。

最大和速率和最小总功率以及基站约束条件表示如下

基站将优化问题转化为

其中ξ表示加权系数，0≤ξ≤1。

其中，约束条件表示一个用户只能被服务于一个小小区基站，约束条件表示传输速率要大于最小qos阈值qmin，约束条件表示发射功率要小于基站的限制功率，约束条件表示要确保接受端的sic解码过程。

基于小小区基站之间会产生信道干扰，传输速率表示为

rk，i＝log2(1+γk，i)

γk，i是信干噪比，表示式如下

表示sic译码过程后的用户间干扰，表示来自附近s基站的干扰，σ²表示加性高斯白噪声的方差。

因为转换所得的单一目标函数是非凸的，采取二次序列规划的方法。定义矩阵

j是雅可比矩阵，h海森矩阵，令雅克比矩阵为

其中而pt(p)＝[pk，1-pt，pk，2-pt，…，pk，i-pt]^t

令海森矩阵为

拉格朗日函数表示为

λi，μi，ηi表示拉格朗日乘数，(pk，i，λi，μi，ηi)可使用修正向量进行迭代更新，用式子β＝-[ζl(p)^tζl(λ)^tζl(μ)^tζl(η)^t]^t×z^-1计算β，式中ζl(p)，ζl(λ)，ζl(μ)，ζl(η)代表拉格朗日函数的梯度。

使用下式进行迭代

设置迭代次数初始值为t＝0，更新传输速率，每更新一次，t＝t+1，代表了步长。

若(pk，i，λi，μi，ηi)不收敛，重复迭代过程直至收敛，求得最终优化结果。若(pk，i，λi，μi，ηi)仍旧不收敛，重复计算矩阵z，直至收敛，使t＝t+1，不断重复该过程，直至得到最终优化结果。