本发明涉及移动通信与无线网路技术领域，具体涉及一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法。
背景技术
对于非正交多址接入(non-orthogonalmultipleaccess；noma)系统功率分配的研究，前人已经做了大量的工作。一般以最大化速率、最小化功率、最大化能量效率和中断性能等为目标，研究的场景一般为单小区noma、多小区noma、单载波noma和多载波noma等几种组合形式。起初，研究者们从单载波noma场景入手，研究一个载波上只有两个用户的情况，后续逐步出现了一些采用载波用户配对的方案。目前，更多的研究者们将重点放到多载波或多小区多载波场景，并且一个载波信道可以支持若干个用户的情况，并且同时兼顾用户公平性的问题。此外，还有少量的学者联合设计功率分配和用户调度实现性能的优化，或是将noma与多天线(multiple-inputmultiple-output；mimo)、认知无线电等其他技术相结合。在这些场景下，研究不同的功率分配方案来实现系统性能的最优化。值得一提的是，大部分工作都是在假设可以得到完美信道状态信息的前提下的，也有少部分考虑了非完美信道状态信息的情况。与正交多址接入(orthogonalmultipleaccess；oma)系统相比，noma最大的不同在于可以子信道上支持多个用户，这主要依赖于发射端叠加编码(superpositioncoding；sc)技术和接收端串行干扰消除(successiveinterferencecancellation；sic)技术。单个子信道上多个用户必然会引来用户间的干扰问题，大部分文献都是假设接收端能够实现完美的sic消除用户间的干扰，然而事实上，由于接收端检测能力、信噪比、调制和解码方案等影响，接收端不一定能够实现完美的sic操作。
现有技术中，li等人在《ieeecommunicationsletters，volume:20,issue:12,dec.2016，(电气和电子工程师协会通信快报，2016年12月)》发表了题为“dynamicresourceallocationfortransmitpowerminimizationinofdm-basednomasystems”，该文以最小化总功率为目标，研究了单小区下行链路基于正交频分复用的noma系统，考虑了每个用户的最小速率要求，给出了一个固定载波分配下的功率分配方法，基于此，提出了一个低复杂度的联合功率分配和载波分配的算法，该方案和传统的正交频分复用以及静态noma资源分配相比，消耗的总发射功率较小。fang等人在《2017ieeeinternationalcommunicationsconference(icc)，on21-25may2017(2017年电子电气和电子工程师协会国际通信会议，2017年5月21日至25日)》发表了题为“energy-efficientresourceschedulingfornomasystemswithimperfectchannelstateinformation”，该文提出了一个低复杂度、次优的方案，该方案能够使非完美csi情况下的系统能量效率最大。xu等人在《globecom2017-2017ieeeglobalcommunicationsconference(2017年电子电气和电子工程师协会全球通信会议)》上发表了题为“optimalpowerallocationschemefornomawithadaptiveratesandα-fairness”，该文采用α效用函数的策略，且首次以最大化瞬时速率和为目标，根据其kkt条件提出了一个简单的迭代算法，在相同的公平级别上，该方案下的noma性能优于传统的正交多址接入。hongwang等人在《wirelesscommunicationandsignalprocessing(wcsp),2017internationalconferenceon11-13oct.2017(2017年第九届无线通信和信号处理国际会议，2017年10月11日至13日)》发表了题为“energy-efficientpowerallocationfornon-orthogonalmultipleaccesswithimperfectsuccessiveinterferencecancellation”。该文以能效和最大为目标，考虑了非完美sic场景下的noma系统，将连续凸优化近似(successiveconvexapproximation；sca)的方法应用于该场景，将原来的非凸问题转化为一个凸问题，然后用朗格朗日对偶的方法求得了最优解，但未考虑用户公平性的问题。另外经检索发现，lei等人在《ieeetransactionsonwirelesscommunications,pp.8580-8594,dec.2016(关于无线通信的电气和电子工程师协会事务，2016年12月)》发表了题为“powerandchannelallocationfornon-orthogonalmultipleaccessin5gsystems:tractabilityandcomputation”的文章，该文以权重速率最大为目标，采用拉格朗日对偶和功率离散化的方法联合功率分配和用户调度，在吞吐量和用户公平性之间达到一个平衡，但未考虑sic的影响。
技术实现要素：
本发明针对现有技术存在的上述不足，提供一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法，首次采用对偶转换和分数转换计算辅助参数的方法，通过迭代操作获得最优的noma系统功率分配，能够获得比现有技术更好的权重速率性能。
本发明是通过以下技术方案实现的。
一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法，应用于单小区单天线基站多载波场景，包括以下步骤：
步骤一：基站给每个子信道上的每个用户分配初始化功率；
步骤二：所述基站获取用户的实时信道状态信息，且每个子信道上用户按照其信道条件由强到弱排列，同时基站根据用户的优先性要求分配给用户相应的权重系数；
步骤三：所述基站获取用户端由于非完美sic导致的sic误差以及信道干扰；
步骤四：所述基站依据分数转换和对偶转换方法获得分数转换因子和对偶转换因子，并通过迭代操作获得最优的功率分配方案，依据该方案分配给用户相应的功率。
优选地，步骤一中，每个用户获得的初始化功率为ρn,k，则
pn，k＝ptotal/(n×k)
其中，ρn,k表示第n个子信道上第k用户获得的功率，ρtotal表示所述基站能够发射的总功率，n表示子信道数，k表示每个子信道上能支持的最大用户数。
优选地，所述的子信道数n由所述基站可使用的总频带宽度btotal和每个子信道的频段宽度bn决定，且n＝btotal/bn。
具体地，步骤二中，基站获取小区内所有用户的实时信道状态信息，并且要传输实时信息的用户已经确定(这里不考虑用户调度的问题)；每个子信道上用户按照其信道条件由强到弱排列，且根据用户的优先性要求分配给用户相应的权重系数，优先性越高的用户分配给大的权重系数，优先性越低的用户分配给小的权重系数。
优选地，步骤二中获取的用户实时信道状态信息包括大尺度衰落效应和小尺度衰落效应对用户的实时信道状态的影响。其中，大尺度衰落效应指用户端与基站通信的信道路径上由于固定障碍物的阴影导致的衰落，包含平均路径损耗和阴影衰落；小尺度衰落是由多径效应引起的，我们假设该效应对用户端的影响服从瑞利分布。
优选地，步骤二中，所述的权重系数由用户本身的业务类型和优先性决定，每个用户对应一个权重系数，且用户按照其信道条件由优到劣排列后，分配在不同子信道上的用户依旧拥有其相应的速率权重系数，即wk＝wn,k＝wn′,k，其中，wn,k表示第n个子信道上第k用户的权重系数，wn′,k表示第n′个子信道上第k用户的权重系数，wk表示小区中第k用户的权重系数。
优选地，步骤三中，所述信道干扰是指所述基站到所述移动用户端的信道本身存在的干扰，表示为σz2，所述sic误差针对第n个子信道上第k用户而言，表示如下：
其中，hn,k表示第n个子信道上第k用户的信道情况，
具体地，所述基站将k个用户的信号通过叠加代码的方法一起发射，移动接收端为从子信道上获取自己的信息要进行sic操作；在信道强的用户端，依次对该信道上弱的用户进行sic操作，并将其信息检测出来并从总信号中删去；再到次弱的用户重复同样的操作，直到移动接收端获得到该用户的信息；但因为接收端检测能力、信噪比、调制、解码方案等影响会导致接收端接收到的实际信号与预估信号不完全一样，因此存在一定sic误差。
优选地，步骤四中的迭代操作进一步包括：
(1)根据步骤一中所述基站分配给用户的初始化功率，以及步骤三中的所述sic误差和所述信道干扰σz2，得到初始化的对偶转换因子δn,k，δn,k表示如下
(2)根据(1)和步骤二中所述基站分配给用户的相应的权重系数wn,k，得到初始化的分数转换因子θn,k，θn,k表示如下
(3)根据(1)和(2)，可得到相应的功率分配方案
其中，λ是通过二分法或次梯度方法搜寻出的，以保证功率分配满足基站总功率的限制，所述的基站总功率的限制是指分配给所有的用户的功率之和不能超过基站的发射总功率，即
(4)重复(1)-(3)，直到权重速率收敛，得到最优的功率分配方案。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于，1)本发明首次采用对偶转换和分数转换方法获得辅助参数，并通过迭代操作获得最优的功率分配；2)本发明根据基站能提供的总发射功率和用户的信道条件以及优先性要求，给出一种功率分配方法，所述方法能提高系统的权重速率，在考虑到用户公平性的同时还能提高频带利用率；3)本发明考虑了noma系统的sic误差和不同用户的优先性，获得比传统方法更好的权重速率性能，适用于更实际的noma场景，可广泛用于未来移动通信系统中；4)本发明引入用户速率权重系数，该系数由用户本身的优先性决定，在mac层可以一定程度上保证用户公平性。
附图说明
图1是根据实施例的noma系统基站下行链路发射信息示意图；
图2是根据实施例的noma系统用户端非完美sic示意图；
图3是根据实施例的noma系统功率分配方法基本框架示意图；
图4是根据实施例的noma系统权重速率随迭代次数变化的示意图；
图5是根据实施例的noma系统功率分配方案的权重速率随基站总功率变化的示意图；
图6是根据实施例的noma系统功率分配方案的权重速率随sic误差变化的示意图。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明各实施例的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
一种基于非完美sic的权重速率最优的下行noma功率分配方法，应用于单小区单天线基站多载波场景。图1是根据实施例的noma系统基站下行链路发射信息示意图，单天线基站位于小区的中央，u个用户随机且均匀的分布在小区内，且用户均是单天线，基站可使用的总频带宽度为btotal，每个子信道的频带宽度为bn，子信道数目为n，n＝btotal/bn。假设每个子信道上可同时支持的用户数最大为k，基站能够发射的总功率为ptotal。这里采用cost231-hata传输模型，假设基站可获得小区中所有用户的实时信道状态信息，且用户端不一定能完美的实现sic过程。
所述方法是通过以下四个步骤来实现的。
步骤一：基站给每个子信道上的每个用户分配初始化功率；
基站根据其能够发射的总功率以及该基站可使用的总频带宽度、子信道数、每个子信道上最大能支持的用户数，将总功率均等的分配所有子信道上的所有用户，
所述的每个用户获得的初始化功率为pn,k，则
pn，k＝ptotal/(n×k)
其中，pn,k表示第n个子信道上第k用户获得的功率。
步骤二：基站获取用户的实时信道状态信息，且每个子信道上用户按照其信道条件由优到劣排列，同时基站根据用户的优先性要求分配给用户相应的权重系数；
基站获取小区内所有用户的实时信道状态信息，并且要传输实时信息的用户已经确定(这里不考虑用户调度的问题)。每个子信道上用户按照其信道条件由优到劣排列，且根据用户的优先性要求分配给用户相应的权重系数，优先性越高的用户分配给大的权重系数，优先性越低的用户分配给小的权重系数；
获取的用户实时信道状态信息包括大尺度衰落效应和小尺度衰落效应对用户的实时信道状态的影响；其中，大尺度衰落效应包含平均路径损耗和阴影衰落，指用户端与基站通信的信道路径上由于固定障碍物的阴影导致的衰落；小尺度衰落是由多径效应引起的，我们假设该效应对用户端的影响服从瑞利分布。
所述的权重系数由用户本身的业务类型和优先性决定，每个用户对应一个权重系数，且用户按照其信道条件由优到劣排列后，分配在不同子信道上的用户依旧拥有其相应的速率权重系数，即wk＝wn,k＝wn′,k，其中，wn,k表示第n个子信道上第k用户的权重系数，wn′,k表示第n′个子信道上第k用户的权重系数，wk表示小区中第k用户的权重系数。
步骤三：基站获取用户端由于非完美sic导致的sic误差以及信道干扰；
noma系统中包括三种干扰，用户干扰、sic误差和信道干扰，如图1所示，基站将k个用户的信号通过叠加代码的方法一起发射，移动接收端为从子信道上获取自己的信息要进行sic操作，但是sic总是从每个子信道上最弱的用户(信道条件最差的用户)开始，将其信息检测出来并从总信号中删去，再到次弱的用户重复同样的操作，直到移动接收端获得到该用户的信息，所以对于子信道n上的用户k而言，因为后(k-k-1)个用户的信道比用户k差，因此会从第k个用户开始被解码并且减出去，再到第(k-1)个用户实现同样的操作，一直到第(k-k-1)个用户，而前(k-1)个用户的信道比用户k好，它们就是用户干扰；
同时如图2所示，图2是根据实施例的noma系统用户端非完美sic示意图，由于接收端检测能力、信噪比、调制、解码方案等影响会导致接收端接收到的实际信号与预估信号不完全一样，因此存在一定sic误差；
所述的信道干扰是指基站到移动用户端的信道本身存在的干扰，表示为σz2，所述sic误差针对第n个子信道上第k用户而言，表示如下：
其中，hn,k表示第n个子信道上第k用户的信道情况，
步骤四：基站依据分数转换和对偶转换方法获得分数转换因子和对偶转换因子，并通过迭代操作获得最优的功率分配方案，依据该方案分配给用户相应的功率；
所述的迭代操作具体指：
(1)根据步骤一中基站分配给用户的初始化功率，以及步骤三中的sic误差和信道误差σz2可得到初始化的对偶转换因子δn,k，δn,k表示如下
(2)根据(1)和步骤二中所述基站分配给用户的相应的权重系数wn,k，得到初始化分数转换因子θn,k，θn,k表示如下
(3)根据(1)和(2)，可得到相应的功率分配方案
其中，λ是通过二分法或次梯度方法搜寻出的，以保证功率分配满足基站总功率的限制，所述的基站总功率的限制是指分配给所有的用户的功率之和不能超过基站的发射总功率，即
(4)重复(1)-(3)，直到权重速率收敛，得到最优的功率分配方案。
图3是根据实施例的noma系统功率分配方法基本框架示意图。
本实施例仿真场景的主要参数如表1所示。
表1仿真场景主要参数
假设基站位于半径为1000m的小区中心，这里将小区划分成4个同心圆区域，且半径分别为100m、400m、700m和1000m。每个子载波上有3个用户，这三个用户分别从100m-400m、400m-700m、700m-1000m的圆环内随机选择，则这三个用户经过大尺度衰落后的信道条件依次降低，其路径损耗和阴影衰落损耗、噪声功率谱密度见表1。假设这三个用户的优先性依次上升，设置其权重速率系数分别为0.25、0.5、1。
图4是根据实施例的noma系统权重速率随迭代次数变化的示意图。假设接收端的sic误差
图5是根据实施例的noma系统功率分配方案的权重速率随基站总功率变化的示意图。同时假设接收端的sic误差
图6为根据实施例的noma系统功率分配方案的权重速率随sic误差变化的示意图。这里仍将本发明的方法(proposednoma)与均分功率的noma方案(noma-eq)、均分功率的oma方案(oma-eq)以及最优的oma方案(oma-opt)作对比。从图6中可以看出，随着sic误差的增大(σe2＝0.001相当于-30db的误差，σe2＝1相当于0db的误差)，本发明的方法(proposednoma)和均分功率的noma方案(noma-eq)的速率和均会受到影响，系统的用户权重速率会下降。sic误差从-30db到0db，noma-eq方案的下降了82.5％，幅度远大于本发明提出的方案(22％)。此外，因为oma系统中，每个子载波上只有一个用户，不存在用户之间的干扰问题，也不存在sic误差的问题，所以oma-eq和oma-opt是两条平滑的直线。值得一提的是，即使是
综上所述，与现有的oma方案、均分功率分配方法相比，本发明考虑到用户公平性，同时还可以提高系统的权重速率(频带利用率)性能。在存在sic误差时，性能仍然优于现有的oma方案和均分功率noma方案。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案。