本发明涉及无线通信领域。更具体地说，本发明涉及一种基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法。
背景技术：
在无线通信系统中，稀疏码多址接入(scma)是一种多址接入技术，也就是基站如何同时服务和区分多个用户的一种方式。稀疏码多址接入系统的性能主要取决于scma码本设计和资源分配算法的研究。通信中的主要资源是带宽和功率，在带宽和功率有限的情况下每个用户都想占用更多的频谱资源。稀疏码多址接入系统中，同一个scma编码器在同一层上的用户之间共享相同频谱资源，彼此间存在干扰。在特定的scma资源快上，由于不同码本实际关联的正交正交子载波不同，这些正交正交子载波对不同的用户而言，信道状态信息(csi)也各不相同。由于scma码本可以视为一种信道化的码资源，所以我们可以借鉴ofdma系统中基于ra算法的正交正交子载波分配算法，根据用户的信道状态信息来进行码本的选择，以提高频谱利用率。scma系统中由于稀疏扩频的概念，将不同用户的数据在频域上扩散在有限的正交子载波上，同一正交子载波上的用户会互相干扰，这些用户之间不能共享信道状态信息，所以每个用户只能以分布式的方法最大化自己的性能，造成信道拥塞，系统吞吐量低。
技术实现要素：
本发明的一个目的是解决至少上述问题，并提供至少后面将说明的优点。
本发明还有一个目的是提供一种基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，该方法不仅提高了scma系统的吞吐量和速率，还降低了系统的误码率。
为了实现根据本发明的这些目的和其它优点，提供了一种基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，包括以下步骤：
s1：设定系统模型，假设在一个scma下行链路蜂窝系统下，考虑一个给定的scmablock正交资源块上有m个正交子载波，scma编码器中有h个非零元，则相应的传输层数即码本数为
s2：假定基站将发射功率平均分配给所有正交子载波，然后在每个传输层j上单独进行码本分配，j∈{1,2,...,j}，求得
s3：基于博弈论，建立非合作博弈模型进行功率分配，求得
优选的是，所述的基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，，步骤s2中具体包括如下步骤：
s21：将某时刻上行链路接受端对应的用户uk的接收到的信息表示为：
其中，设第k个用户uk使用的码本为xk，用户数据经过scma编码器映射后的码字为xk＝(xk1,xk2,...,xkn)(xk∈xk)，pk表示分配给用户uk的发射功率，hk＝(hk1,hk2,...,hkn)h表示用户uk到各正交子载波上的信道增益，wk表示加性噪声，是一个方差为δ2的零均值高斯随机变量；
s22：假设用户uk到每个正交子载波上的加性噪声wk都相等，且hk是路径衰落因子和频率选择性衰落因子的乘积，则j层中用户uk接收端的的信干噪比sinr为：
其中
s23：所有用户在单位带宽内的和速度为：
s24：假设所有用户统一采用qam调制方式，给定用户的误码率，并给定已知的干扰向量，则下行链路中对j层上的各正交子载波的分配满足：
s25：假设j层上用户uk在正交子载波m上的sinr为
则
通过基站测试获知各用户的干扰水平ik,j和最大发射功率
优选的是，所述的基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，步骤s3中具体包括如下步骤：
s31：定义码本分配矩阵为
s32：采用博弈论进行功率分配，其收益函数为：
其中，ωk为用户uk的和功率效率函数，
s33：同时考虑码本的分配，则收益函数为：
s34：引入代价因子τ，则非合作博弈模型为：
s35：对所述非合作博弈模型进行lagrange松弛，可得：
其中，uk,
s36：对上式进行求关于发射功率
如果码本xk没有分配给用户uk，那么
否则有
对剩余的功率值
本发明的有益效果是：首先将每个码本中的h个非零元所关联的h个正交子载波到各用户的干扰与噪声功率之和求和，并将最小和值下的正交子载波组合对应的码本分配给用户，经多次迭代，直至码本分配完成，再基于博弈论进行功率分配，经过多次迭代，直至功率分配完成，此时，码本与功率分配都取得最优解，系统性能最优，与传统的建立相关模型进行联合优化的资源分配方法相比，本发明不仅计算量小，还可有效提高scma系统的吞吐量和速率，降低系统的误码率。
本发明的其它优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
需要说明的是，下述实施方案中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法，所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得；在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本发明提供一种基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，包括以下步骤：
s1：设定系统模型，假设在一个scma下行链路蜂窝系统下，考虑一个给定的scmablock正交资源块上有m个正交子载波，scma编码器中有h个非零元，则相应的传输层数即码本数为
例如有4个正交子载波，2个非零元，则有6个码本，6个码本与4个正交子载波之间对应关系的关联矩阵f为：
f中的每一列对应一个码本，每列中1所在位置表示该码本中码字的非零元位置，即使用该码本的用户将使用该1所对应的正交子载波，如第1列中非零元在第2、4行，代表该码本/用户使用的正交子载波编号为2、4；f中每一行代表一个正交子载波编号，每行中1所在位置表示复用该行对应正交子载波的那些用户，如第一行中非零元在2、3、5列的位置，代表使用第1号正交子载波的码本有f中的第2、3、4列对应的码本。
s2：假定基站将发射功率平均分配给所有正交子载波，然后在每个传输层j上单独进行码本分配，j∈{1,2,...,j}，求得
s3：基于博弈论，建立非合作博弈模型进行功率分配，求得
所述的基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，，步骤s2中具体包括如下步骤：
s21：将某时刻上行链路接受端对应的用户uk的接收到的信息表示为：
其中，设第k个用户uk使用的码本为xk，用户数据经过scma编码器映射后的码字为xk＝(xk1,xk2,...,xkn)(xk∈xk)，pk表示分配给用户uk的发射功率，hk＝(hk1,hk2,...,hkn)h表示用户uk到各正交子载波上的信道增益，wk表示加性噪声，是一个方差为δ2的零均值高斯随机变量；
s22：假设用户uk到每个正交子载波上的加性噪声wk都相等，且hk是路径衰落因子和频率选择性衰落因子的乘积，则j层中用户uk接收端的的信干噪比sinr为：
其中
s23：所有用户在单位带宽内的和速度为：
s24：假设所有用户统一采用qam调制方式，给定用户的误码率，则资源分配的目标函数为：
上式是一个约束条件下非线性优化问题，需要了解每个子载波上的功率分配情况，如果采用多用户联合优化则计算量过大，通常难以实现，所以这里我们用博弈论的框架寻求最优解，大大降低了复杂度；
给定已知的干扰向量，则下行链路中对j层上的各正交子载波的分配满足：
s25：假设j层上用户uk在正交子载波m上的sinr为
则
通过基站测试获知各用户的干扰水平ik,j和最大发射功率
ωk,j＝φ,a＝{1,2,......,k}
fork＝1tok
whilea≠φ
从a中找到用户uk对应的未分配的正交子载波组合m*，
所述的基于博弈论的scma系统码本和功率分配方法，步骤s3中具体包括如下步骤：
s31：定义码本分配矩阵为
s32：采用博弈论进行功率分配，其收益函数为：
其中，ωk为用户uk的和功率效率函数，
s33：同时考虑码本的分配，则收益函数为：
s34：并不是所有的博弈纳什均衡解都存在或者是系统的最优解，在正交子载波有限的前提下，用户会争夺有限的资源，之间形成竞争的关系，同时每个用户的峰值功率约束下每个用户的正交子载波之间也存在着功率竞争的问题，所以我们引入代价因子τ使用户之间具有隐含的非合作关系，则非合作博弈模型为：
不同于以往的博弈论求解，可能会存在纳什均衡解不是最优解，本发明设计的收益函数纳什均衡解一定存在，且是最优解
下面证明：
定理1.如果过某一函数为凹(凸)函数，则次函数肯定是拟凹(凸)函数。
定理2.对于本文的收益函数g＝[m,{pk,c},{uk(.)}]，假设所有码本分配完毕，那么对应剩下的功率分配函数可以表示为g＝[m,{pk,c},{uk(.)}]，如果其不用情况下误比特率组成的策略空间{pk}是非空的凸集，且收益函数uk(.)关于策略函数
证明：对于给定的收益函数，策略空间肯定是一个非空凸集，对于定理2，如果对收益函数求其策略空间的二阶导数，可以得到
s35：对所述非合作博弈模型进行lagrange松弛，可得：
其中，uk,
s36：对上式进行求关于发射功率
如果码本xk没有分配给用户uk，那么
否则有
对剩余的功率值
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。