最大化NOMA子信道功率分配可行区域的上行用户分簇方法与流程

本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种最大化noma子信道功率分配可行区域的上行用户分簇方法。

背景技术：

随着智能移动设备的爆炸性增长，第五代移动通信系统(5g)将渗透到未来社会的每个元素中，使得统一的无线网络连接一切。随之而来，基站(bs)巨大的负载需要更高频谱效率的通信机制。非正交多址(non-orthogonalmultipleaccess，noma)是一种在5g移动网络中实现大规模连接的最有前途的技术之一。noma通过允许不同类型的多个用户在功率域中共享相同的子信道，可显著提高频谱效率及降低接收器复杂度。但是，如何把不同类型的用户分配到合适的频谱资源(信道)上形成用户簇，并为簇中的每个用户分配最佳的发射功率是实现noma传输的关键，对于大规模连接的网络系统尤为重要。

技术实现要素：

本发明是针对上述技术问题，提出一种最大化noma子信道功率分配可行区域的上行用户分簇方法，该方法将不同类型的用户分配到合适的子信道上形成用户簇，实现多个用户在功率域共享同一个子信道，以解决noma传输中的资源分配问题，从而使noma传输技术更好地应用于未来5g移动网络中。

为解决上述技术问题，本发明采用了以下技术方案：

一种最大化noma子信道功率分配可行区域的上行用户分簇方法，其特征在于：所述用户分簇方法是基于单小区上行链路noma网络，在所述noma网络中，基站位于小区中心，n个不同类型的移动用户随机分布在小区内部，小区总带宽为b，分为k个子信道，每个子信道占用的带宽为bsc＝b/k，n个用户通过k个子信道将其信号发送到基站，根据noma协议，多个用户复用到同一个子信道上同时传输各自的信号，基站侧采用串行干扰消除技术，以信道增益递减顺序将用户的信号进行解码，所述用户分簇过程是将noma网络中的不同类型的用户分配到相应的子信道上，每个子信道上分配的多个用户形成一个用户簇，用户簇中的多个用户组成一个用户子集，用户分簇过程为信道和用户的一对多匹配过程，同一子信道上复用的最大用户数为dmax，用户分簇方法包括如下步骤：

步骤1建立子信道上用户子集中所有用户联合效用函数；

步骤1.1设定noma子信道相关网络参数，包括子信道索引、子信道上用户子集、用户子集中的用户索引、子信道k上复用的用户数，

其中子信道索引用k表示，其中k∈{1,2，...，k}；

在子信道k上的用户子集用uk表示；

子信道k上复用的用户数用nk表示，且nk＝|uk|，其中|uk|表示用户子集uk的基数；

子信道上用户子集uk中用户索引用i表示，其中i∈{1,2,...,nk}；

步骤1.2根据计算公式(3)计算在子信道k上用户子集uk中各个用户所需的最小发射功率：

表示子信道k上用户子集uk中第i个用户所需的最小发射功率，(3)

公式中其中，表示子信道k上用户子集uk中第i用户的最小数据速率要求；其中，σ²是子信道加性高斯噪声的方差，假设每个子信道的噪声方差相等且为一固定值，hi,k表示在子信道k上从用户i到基站的上行链路信道增益，对于子信道k上的nk个用户，假设其中，表示子信道k上用户子集uk中第j用户的最小数据速率要求；

其中公式(3)由在子信道k上基站接收用户i的信干比γi,k的计算公式(1)，及在子信道k上基站接收用户i的数据速率ri,k的计算公式(2)推导得出，具体为：

在子信道k上，基站从用户i接收的信干比(sinr)γi,k为公式(1)：

其中，pi,k、pj,k分别表示子信道k上用户子集uk中用户i、j的发射功率；

根据公式(1)计算得到的信干比(sinr)γi,k，得到在子信道k上，基站接收用户i的数据速率ri,k为公式(2)：

ri,k＝log2(1+γi,k)(2)

根据公式(2)，当满足用户子集uk中用户i的最小数据速率要求时，则得到子信道k上用户子集uk中nk个用户所需的最小发射功率，为公式(3)；

步骤1.3根据公式(4)计算子信道k上用户子集uk中各个用户的功率分配可行区域的大小；

其中公式中li,k表示子信道k上用户子集uk中第i个用户的功率分配可行区域的大小，表示子信道k上用户子集uk中第i个用户的最大发射功率限制，如果小于则li,k取0；

步骤1.4根据公式(5)计算子信道k上用户子集uk中nk个用户组成的联合功率分配可行区域，作为子信道k上用户子集uk的效用函数：

其中，exp(x)表示e^x，即e的x次方；

由公式(5)得出的效用函数e(uk)是由子信道k上用户子集uk中所有用户的最小数据速率要求、最大发射功率限制和信道增益共同确定；

步骤2以最大化小区中每个子信道上用户子集中所有用户联合效用值为原则，建立子信道与用户的一对多匹配关系，将n个用户分配到k个子信道中，具体步骤如下：

在单小区上行链路noma网络中，令k·dmax≥n，设定两个不相交的集合：子信道集合k＝{1,2,…,k}和用户集合ν＝{1,2,…,n}，已知的参数有：n个用户的最小数据速率要求和最大发射功率限制、子信道的加性高斯噪声，n个用户在k个子信道上的上行链路信道增益；

步骤2.1把n个用户随机分配到k个子信道中，且每个子信道上复用的最大用户数不大于dmax，构成初始化的k×dmax用户分簇矩阵m；

步骤2.2在所述用户集合n中搜索第一个用户，记为n；

步骤2.3在所述用户集合n中搜索不同于n的用户，记为n′；

步骤2.4从用户分簇矩阵m中找到用户n所在的子信道索引k，子信道k上的用户子集为uk；从用户分簇矩阵m中找到用户n′所在的子信道索引k'，子信道k'上的用户子集为uk′；

步骤2.5比较k'与k是否相同，如果相同，则返回步骤2.3，再次查找用户集合n中下一个与n′不同的用户，直至查找到与用户n在不同子信道上的用户n′；

当查到的k'与k不同时，则利用步骤1.4中的效用函数(5)分别计算出k与k'子信道上用户子集uk与uk′的效用值e(uk)和e(uk′)，具体为：

结合子信道k和k'上用户子集uk与uk′中各个用户的信道增益、子信道加性高斯噪声、各个用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制，通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)分别计算子信道k和k'上用户子集uk与uk′的效用值e(uk)和e(uk′)；

步骤2.6将用户n和n′交换子信道位置，即把用户n放到子信道k'上，用户n′放到子信道k上，得到子信道k'及k上新的用户子集分别为

步骤2.7结合子信道k和k'上新的用户子集和中各个用户的信道增益、子信道加性高斯噪声、各个用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制，通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)分别计算子信道k和k'上用户子集和的效用值和

步骤2.8将子信道k交换前用户子集uk的效用值e(uk)与交换后新用户子集的效用值进行比较，将子信道k'交换前用户子集uk′的效用值e(uk′)与交换后新用户子集的效用值进行比较；

步骤2.9如果子信道k上用户子集的效用值或子信道k′上用户子集的效用值则返回步骤2.3，重复步骤2.3至2.9，直至遍历用户集合n中所有与n不相同且与其不在同一子信道的用户n′，结束比较，进入步骤2.11；

步骤2.10如果子信道k上用户子集的效用值且子信道k′上用户子集的效用值则用户n和n′交换子信道位置成立，更新用户分簇矩阵m，进入步骤2.2，重复步骤2.2至2.10；

步骤2.11再从用户集合n中搜索下一个用户记作n，重复步骤2.3至2.11，直至遍历用户集合n中所有用户，结束计算。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

传统的noma用户分簇的依据是用户的信道状态，本发明的用户分簇方法是以子信道上用户子集中所有用户的联合功率分配可行区域的大小作为效用函数进行子信道与用户一对多的匹配，以最大化小区中子信道上建立的用户子集的效用值为原则，建立子信道与用户一对多的匹配关系，该方法的用户分簇依据不仅有用户的信道增益、还考虑了用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制的影响，兼顾了系统的高频谱效率与用户之间的公平性。

本发明与传统算法相比，本发明接入用户数量更多，网络连接性得到了增强；并且该技术方案实现的复杂性更低，效率更高。

附图说明

图1是本发明中步骤2子信道与用户一对多匹配过程流程图；

图2是实施例1中本发明的用户分簇方法与正交频分多址(ofdma)及传统noma方案(即noma-c1)方案在用户最大发射功率限制变化下的接入用户数比较；

图3是实施例2中本发明的用户分簇方法与正交频分多址(ofdma)及传统noma方案(即noma-c1)方案在用户最大发射功率限制变化下的接入用户数比较。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例进一步对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

最大化noma子信道功率分配可行区域的上行用户分簇方法，所述用户分簇方法是基于单小区上行链路noma网络，在所述noma网络中，基站位于小区中心，小区半径为30m，不同类型的12个移动用户随机分布在小区边缘，共有4个子信道，每个子信道占用的带宽为bsc＝1hz，12个用户通过4个子信道将其信号发送到基站，同一子信道上复用的最大用户数dmax为3，根据noma协议，将3个用户复用到一个子信道上同时传输各自的信号，基站侧采用串行干扰消除技术，在每个子信道上以信道增益递减顺序将用户的信号进行解码，所述用户分簇过程是将noma网络中的不同类型的12个移动用户分配到4个子信道上组成相应用户簇，每个子信道上有3个用户形成一个用户簇，用户簇中的3个用户组成一个用户子集，用户分簇过程为4个子信道和12个移动用户的一对多匹配过程，用户分簇方法包括如下步骤：

步骤1建立子信道上用户子集的效用函数；

步骤1.1设定noma子信道相关网络参数，即子子信道索引、子信道上用户子集、用户子集中的用户索引、子信道上复用的用户数，

其中子信道索引用k表示，其中k∈{1，2，3，4}；

子信道k上的用户子集用uk表示；

子信道k上复用的用户数用nk表示，且nk＝|uk|＝3，其中|uk|表示用户子集uk的基数；

子信道上用户子集uk中用户索引用i表示，其中i∈{1,2,3}；

步骤1.2根据计算公式(3)计算在子信道k上用户子集uk中3个用户所需的最小发射功率：

表示子信道k上用户子集uk中第1个用户所需的最小发射功率，

表示子信道k上用户子集uk中第2个用户所需的最小发射功率，

表示子信道k上用户子集uk中第3个用户所需的最小发射功率(3)；

公式中：其中，表示用户子集uk中第1、2、3个用户的最小数据速率要求；其中，σ²是子信道加性高斯噪声的方差，假设为-50dbm，h1,k、h2,k、h3,k表示在子信道k上从用户1、2、3到基站的上行链路信道增益，对于子信道k上的3个用户，满足|h1,k|≤|h2,k|≤|h3,k|；

其中公式(3)由在子信道k上基站接收用户1、2、3的信干比γ1,k、γ2,k、γ3,k的计算公式(1)，及在子信道k上基站接收用户1、2、3的数据速率r1,k、r2,k、r3,k的计算公式(2)推导得出，具体为：

在子信道k上，基站从用户1、2、3接收的信干比(sinr)γ1,k、γ2,k、γ3,k为公式(1)：

其中，p1,k、p2,k、p3,k表示子信道k上户子集uk中用户1、2、3的发射功率；

根据公式(1)计算得到的信干比(sinr)γ1,k、γ2,k、γ3,k，得到在子信道k上，基站接收用户1、2、3的数据速率r1,k、r2,k、r3,k为公式(2)：

r1,k＝log2(1+γ1,k)

r2,k＝log2(1+γ2,k)

r3,k＝log2(1+γ3,k)(2)

根据公式(2)，当满足用户子集uk中用户1、2、3的最小数据速率要求时，则得到子信道k上用户子集uk中3个用户所需的最小发射功率，为公式(3)；

步骤1.3根据公式(4)计算子信道k上用户子集中各个用户的功率分配可行区域：

表示子信道k上用户子集uk中第1个用户的功率分配可行区域；

表示子信道k上用户子集uk中第2个用户的功率分配可行区域；

表示子信道k上用户子集uk中第3个用户的功率分配可行区域；(4)

其中，表示子信道k上用户子集uk中第1、2和3用户的最大发射功率限制；

由公式(4)得出，在子信道k上，用户子集uk中用户1的功率分配可行域由它的信道状态、最小数据速率要求及最大发射功率限制决定，用户子集uk中用户2的功率分配可行域由它的信道状态、最小数据速率要求及最大发射功率限制，及用户1的最小数据速率要求共同决定，用户3的功率分配可行域由它的信道状态、最小数据速率要求及最大发射功率限制，以及用户1、2的最小数据速率要求共同决定。

步骤1.4根据公式(5)计算子信道k上用户子集uk中3个用户组成的多用户联合功率分配可行区域，作为子信道k上用户子集uk的效用函数：

其中，exp(x)表示e^x，即e的x次方；

由公式(5)得出效用函数e(uk)由子信道k上用户集uk中3个用户的最小数据速率要求、最大发射功率限制和信道增益共同确定；

所述子信道k上用户子集uk中3个用户组成的联合功率分配可行区域的大小与该子信道获得的频谱效率呈正相关性，即子信道k上用户子集uk中3个用户组成的联合功率分配可行区域的值越大，该子信道k获得的频谱效率也越大。

如图1所示，步骤2以最大化小区中每个子信道上的用户子集的效用值为原则，建立子信道与用户的一对多匹配关系，将12个用户分配到4个子信道中，具体步骤如下：

步骤2在单小区上行链路noma网络中，令k·dmax≥n，设定两个不相交的集合：子信道集合k＝{1,2,3,4}和用户集合n＝{1，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12}，12个用户的最小数据速率要求(单位为bit/s/hz)分别为2.713763775、3.495962011、3.355477822、2.736404266、2.842082488、3.409192323、3.186839303、2.81260268、3.214899492、2.74487051、2.738071328、2.749834002，12个用户的最大发射功率限制相同，4个子信道的加性高斯噪声功率均为-50dbm；信道衰落因子为2；

在每个时隙，根据基站信道估计得到4个子信道上从12个用户到基站的上行链路信道增益组成12×4维信道增益矩阵h；

步骤2.1把12个用户随机分配到4个子信道中，且每个子信道上复用的最大用户数为3，构成初始化的4×3维用户分簇矩阵m；

步骤2.2在所述用户集合n中搜索第一个用户，记为n；

步骤2.3在所述用户集合n中搜索不同于n的用户，记为n′；

步骤2.4从用户分簇矩阵m中找到用户n所在的子信道索引k，子信道k上的用户子集为uk；从用户分簇矩阵m中找到用户n′所在的子信道索引k'，子信道k'上的用户子集为uk′；

步骤2.5比较k'与k是否相同，如果相同，则返回步骤2.3，再次查找用户集合n中下一个与n不同的用户，直至查找到与用户n在不同子信道上的用户n′；

当查到k'与k不同时，则利用步骤1.4中的效用函数(5)分别计算出k与k'子信道上用户子集uk与uk′的效用值e(uk)和e(uk′)，具体为：

结合子信道k和k'的用户子集uk与uk′中6个用户的信道增益、子信道加性高斯噪声、各个用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制，通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)分别计算子信道k和k'的用户子集uk与uk′的效用值e(uk)和e(uk′)；

步骤2.6将用户n和n′交换子信道位置，即把用户n放到子信道k'上，用户n′放到子信道k上，得到子信道k'及k上新用户子集分别为

步骤2.7结合子信道k和k'上新的用户子集和中各个用户的信道增益、子信道加性高斯噪声、各个用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制，通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)分别计算子信道k和k'上新的用户子集和的效用值和

步骤2.8将子信道k上交换前用户子集uk的效用值e(uk)与交换后新用户子集的效用值进行比较，将子信道k'上交换前用户子集uk′的效用值e(uk′)与交换后新用户子集的效用值进行比较；

步骤2.9如果子信道k上用户子集的效用值或子信道k′上用户子集的效用值则返回步骤2.3，重复步骤2.3至2.9，直至遍历用户集合n中所有与n不相同且与其不在同一子信道的用户n′，结束比较，进入步骤2.11；

步骤2.10如果子信道k上用户子集的效用值且子信道k′上用户子集的效用值则用户n和n′交换子信道位置成立，更新用户分簇矩阵m，进入步骤2.2，重复步骤2.2至2.10；

步骤2.11再从用户集合n中搜索下一个用户记作n，重复步骤2.3至2.11，直至遍历用户集合n中所有用户，结束计算。

两个移动用户发生子信道位置交换的实例如下：

设置12个用户的最大发射功率限制均为0.5mw，在某个时隙，网络参数如下：

12×4维信道增益矩阵h如下表：

按照步骤2.1初始化的4×3维用户分簇匹配矩阵：

按照步骤2.2与2.3得到n＝5，n′＝6；

按照步骤2.4，从m查到n＝5和n′＝6所在的子信道k＝3与k'＝4，子信道k＝3与k'＝4上用户子集u3＝{12，5，7}与u4＝{11，6，2}；

步骤2.5，由于k＝3与k'＝4不相等，从信道增益矩阵h查找到子信道k＝3与k'＝4上6个用户的信道增益：

|h12,3|²＝0.022337849、|h5,3|²＝0.000308373、|h7,3|²＝0.016995486、

|h11,4|²＝1.37e-02、|h6,4|²＝0.003252071、|h2,4|²＝0.002357806；

查找到子信道k＝3与k'＝4上6个用户的最小数据速率要求：

已知12个用户的最大发射功率限制均为0.5mw，4个子信道的加性高斯噪声功率均为-50dbm；

将子信道k＝3上的3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：

|h5,3|²＝0.000308373、|h7,3|²＝0.016995486、|h12,3|²＝0.022337849，

根据步骤1.4得到的效用函数公式(5)，按照信道增益递增的顺序依次代入公式(5)中序号为1，2，3的用户的参数中，计算子信道k＝3上用户子集u3效用值：

e(u3)＝2.9991，

同样，将子信道k'＝4上3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：

|h2,4|²＝0.002357806、|h6,4|²＝0.003252071、|h11,4|²＝1.37e-02，

根据步骤1.4得到的效用函数公式(5)，按照信道增益递增的顺序依次代入公式(5)中序号为1，2，3的用户的参数中，计算子信道k'＝4上用户子集u4效用值：

e(u4)＝1.8735，

按照步骤2.6用户5和6交换位置，即用户5放到子信道4上，用户6放到子信道3上；得到子信道k＝3与k'＝4上新用户子集与

从信道增益矩阵h查找到交换后子信道k＝3与k'＝4上6个用户的信道增益，由|h6,4|²＝0.003252071变为|h6,3|²＝1.07e-02、|h5,3|²＝0.000308373变为|h5,4|²＝6.52e-03，其它的参数不变；

将子信道k＝3上的3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：

|h7,3|²＝0.016995486、|h6,3|²＝1.07e-02、|h12,3|²＝0.022337849，

将子信道k'＝4上3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：

|h2,4|²＝0.002357806、|h5,4|²＝6.52e-03、|h11,4|²＝1.37e-02，

同样通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)计算子信道k＝3与k'＝4上用户子集和的效用值：

按照步骤2.10子信道k＝3上交换后的效用值大于交换前的效用值e(u3)＝2.9991，且子信道k'＝4上交换后的效用值大于交换前的效用e(u4)＝1.8735，则用户5与用户6交换子信道位置，即用户5放到子信道4上，用户6放到子信道3上，更新用户分簇矩阵m为：

在不同的通信时隙中，用户的位置和信道增益都是随机变化的，在同一个时隙中用户位置和信道增益值不变，每个时隙，都要进行上述的子信道与用户一对多的匹配过程，本实例所有统计结果是建立在大量模拟运行的基础上取平均值。在本实施例的基础上将本发明与正交频分多址系统(orthogonalfrequency-divisionmultipleaccess，简称ofdma)及传统的noma系统(简称noma-c1)的系统性能进行比较，进一步验证本发明的优点。

在正交频分多址ofdma用户分簇方法中，每个子信道被等分为多个部分，每个用户占一部分，即当子信道被等分为3部分时，每个用户所占的信道带宽为在noma-c1用户分簇方法中，是将信道增益最佳的用户复用到相同的子信道中形成一个簇；设定12个用户的最大发射功率限制相同，如果在某个子信道上的用户子集中，计算得到的某个用户所需的最小发射功率大于最大发射功率限制，则该用户不能进行数据传输；通过改变用户的最大发射功率限制分别验证采用不同方法时的系统接入用户数。验证结果如图1所示。

实施例2

进一步地，将实施例1中的12个用户增加到16个，将16个用户分配到4个子信道中。

实施例2与例1的区别在于：

16个用户的最小数据速率要求(单位为bit/s/hz)分别为2.523312563、1.633238367、1.67664198、2.002675991、1.824515326、2.195644589、2.187783977、1.95965652、1.852077461、1.723604669、1.719173661、2.306006955、2.590876962、1.976393808、1.755926823、2.072470349；

从图2和图3可以看出，本发明的用户分簇方法与noma-c1和ofdma的用户分簇方法相比，在接入用户数方面，采用本发明的分簇方法优于noma-c1和ofdma的用户分簇方法。

综上所述，本发明提出的以子信道的用户子集中所有用户组成的多用户联合功率分配可行区域的大小作为效用函数将多个不同类型的移动用户分配到相应的子信道上，以最大化子信道用户子集的效用值为原则，建立子信道与用户的一对多匹配关系，该方法同时考虑了子信道的用户子集中所有用户的最小数据速率要求、最大发射功率限制和信道增益的因素，可将不同类型的用户同时接入到一个noma信道上来，因此与传统的noma用户分簇方法完全不同，本发明的用户分簇方法兼顾了系统的高频谱效率与用户之间的公平性，方案实现的复杂性更低。与传统的noma用户分簇方法相比，本发明接入用户数量更多，网络连接性得到了增强。

尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。