一种混合非正交多址接入中的功率分配方法

1.本发明涉及无线通信技术领域，更具体的涉及一种混合非正交多址接入中的功率分配方法。


背景技术：

2.移动互联网和物联网的快速发展，使得业务数据量与网络用户数量呈爆炸式增长，给5g/b5g无线通信系统带来新的需求与挑战。为了应对这种挑战，区别于正交多址接入技术在每个时频资源中只能接入一个用户的限制，利用非正交多址接入技术可在同一时频资源上接入更多的用户，不仅可有效提升无线通信系统的频谱效率，也可以极大提升系统中的接入用户数量，是5g/b5g时代无线通信系统有力的解决方案。
3.现有的非正交多址接入技术主要是基于单域的解决方案，单域指资源的维度是一维的，例如仅使用功率域资源或仅使用码域资源来实现非正交多址接入，对接入数量与频谱效率的提升具有一定的局限性，为了解决接入数量和频谱效率的提升需要解决pd-noma中的多用户功率分配问题和scma中的码本设计问题。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供一种混合非正交多址接入中的功率分配方法，包括：
5.根据系统和速率计算公式给出解决和速率最大问题的约束条件；
6.根据约束条件进行用户功率分配，具体包括：
7.将所有用户按照信道增益从大到小进行降序排列；
8.获取信道最小传输速率r
min
；
9.计算所有用户的满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率，完成每个用户的固定功率分配；
10.在待分配的总功率中减去固定功率，获得剩余功率，并将剩余平均功率分配给每一个用户；
11.信道增益最强的第一个用户将获取平均功率作为暂时功率加权，分配给第二个用户，再加上剩余平均功率，得到第二个用户的暂时功率；
12.后续的每个用户依次将前一个用户分配的暂时功率与剩余平均功率求和后加权，分配给序号较大的相邻用户，直至所有用户暂时功率分配完成；
13.根据和速率计算公式判断和速率增加，重新计算每用户在该轮分配后剩余的暂时功率后开始新一轮动态功率分配；
14.否则，调整分配因子，返回上一轮动态功率分配；
15.迭代直至完成暂时功率分配；
16.根据暂时功率与固定功率之和，获得每个用户总的分配功率。
17.优选地，根据系统和速率计算公式给出解决和速率最大问题的约束条件，包括：
18.和速率r计算公式包括：
[0019][0020]
其中，
[0021]
其中，b为信道带宽，为第w组内用户ui的信道增益，p
iw
为第w组内用户ui的功率，代表所有组用户按照信道增益降序排列后，信道增益强于第w组的前w-1组用户对第w组内用户ui的干扰，为组内干扰，为服从cn(0,σ2)的信道噪声，其中，|gw|≥1为第w组内的总用户数，j为系统总用户数，w为用户组数。
[0022]
为了使系统和速率最大，形成优化问题p1，可表示为公式(3)
[0023][0024]
其中，限制条件c1表示每个用户的传输速率不能小于r
min
；
[0025]
限制条件c2表示每个用户的功率分配不能为负；
[0026]
限制条件c3表示，当所有用户按照降序排列后，排序索引值较小的用户组的功率分配应当不大于排序索引值较大的用户组的功率分配；
[0027]
限制条件c4表示，针对每组内多用户，排序索引值小的用户的功率分配应当不大于排序索引值大的用户的功率分配；
[0028]
限制条件c5表示所有用户的分配功率和应不超过系统所能提供的总功率。
[0029]
优选地，计算所有用户的满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率，具体包括：
[0030]
根据公式(2)计算用户u1在满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率p
1min
；
[0031]
根据公式(2)计算用户u2满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率
[0032]
根据公式(2)计算在p
1min
和干扰下的用户u3的最小分配功率以此类推，计算所有用户的满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率。
[0033]
优选地，后续的每个用户依次将前一个用户分配的暂时功率与剩余平均功率求和
后加权，分配给序号较大的相邻用户，直至所有用户暂时功率分配完成，包括：
[0034]
获得用户u1的暂时获取功率：
[0035]
p
res
/j；
[0036]
根据用户u1的暂时获取功率，计算用户u2的暂时获取功率：
[0037]
α
·
p
res
/j+p
res
/j；
[0038]
其中，α为功率分配因子，根据用户u2的暂时获取功率，计算用户u3的暂时获取功率：
[0039]
α(α
·
p
res
/j+p
res
/j)+p
res
/j；
[0040]
依次类推，获得各个用户的暂时获取功率；
[0041]
将暂时获取功率与剩余平均功率累加获得每个用户的暂时功率。
[0042]
优选地，调整分配因子，包括：
[0043]
若r
(n)-r
(n-1)
≤0；
[0044]
当α＝α+α'∈(0,1)，α'∈(0,1)时，r
(n)-r
(n-1)
＞0，则将功率调整因子更新为α＝α+α'，对上一轮剩余的暂时功率按照调整过的分配因子重新进行分配；
[0045]
当α＝α-α'∈(0,1)，α'∈(0,1)时，r
(n)-r
(n-1)
＞0，则将功率调整因子更新为α＝α+α'，对上一轮剩余的暂时功率按照调整过的分配因子重新进行分配。
[0046]
优选地，还包括一种混合非正交多址接入中的码本设计方法，其包括：
[0047]
在scma系统中，用户根据每个频率资源块上设计的m个星座点构建用户母星座；
[0048]
根据用户u1使用频率资源块的数量dv与每一个频率资源块上需要的星座点数量m的乘积，确定每个用户的星座点的总数；
[0049]
根据星座点的总数确定用户u1母星座的第一旋转步长，并按照步长连续旋转dv次；
[0050]
根据第一旋转步长和用户u1的功率计算用户u1映射到多个资源块上的多维星座集；
[0051]
计算用户u2的第二旋转步长；
[0052]
根据用户u1的多维星座集、第二旋转步长和用户u2的功率计算用户u2映射到多个资源块上的多维星座集；
[0053]
基于用户u1计算后续排序索引为奇数的用户多维星座集，基于用户u2计算后续排序索引为偶数的用户多维星座集；
[0054]
构建所有用户的扩频映射矩阵；
[0055]
根据扩频映射矩阵与各个用户的多维星座点，获得所有用户的总码本；
[0056]
利用用户的多维星座对扩频映射矩阵中该用户列的映射关系进行填充，获得用户的码本。
[0057]
优选地，根据第一旋转步长和用户u1的功率，计算u1用户映射到多个资源块上的多维星座集，包括：
[0058]
根据式(4)计算用户u1的母星座：
[0059][0060]
其中，该母星座中的星座点是以p1为半径，圆周角等分为m份的圆周上的m个点；
[0061]
根据式(5)计算旋转的角度步长θ：
[0062][0063]
根据式(6)计算用户u1的dv维星座集为
[0064][0065]
其中，为第t维星座集，将映射到第t个资源块。
[0066]
优选地，根据用户u1的多维星座集、第二旋转步长和用户u2的功率计算用户u2映射到多个资源块上的多维星座集，包括：
[0067]
根据式(7)计算第二旋转步长：
[0068][0069]
根据式(8)用户u2的dv维星座集为
[0070][0071]
优选地，基于用户u1计算后续排序索引为奇数的用户多维星座集，基于用户u2计算后续排序索引为偶数的用户多维星座集，包括：
[0072]
根据公式(9)计算各个用户的多维星座集：
[0073]
[0074]
本发明实施例提供一种混合非正交多址接入中的功率分配方法，与现有技术相比，其有益效果如下：
[0075]
混合非正交多址接入充分利用了两个资源域-功率域与码域来实现多用户接入，比传统一维资源域的维度更高，能够解决一维资源上无法满足条件进行接入的用户在另外一个资源域上进行接入，实现系统接入用户总数提升与频谱效率提升的效果。在本系统所发明的功率分配方法，通过动态调整多层迭代解决了功率域非正交多址接入中的用户功率分配问题；另一方面，在功率分配解决的基础上，利用用户功率大小与相位设计解决了码域scma中的用户码本形成，这两个方法为实现混合非正交多址接入奠定了基础。
附图说明
[0076]
图1为本发明实施例提供的一种混合非正交多址接入中的功率分配方法流程图。
具体实施方式
[0077]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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。
[0078]
参见图1，本发明实施例提供一种混合非正交多址接入中的功率分配方法，该方法包括：
[0079]
1.系统模型
[0080]
假设无线通信系统中有1个基站，j个用户。将作为用户间信道增益差的阈值，当相邻用户间信道增益差大于时，可利用功率域noma(non-orthogonal multipleaccess，非正交多址接入)实现多用户接入；当相邻用户间信道增益差小于时，在功率域上难以消除多用户间干扰，可利用码域非正交多址接入技术-scma(sparse code multipleaccess，稀疏码多址接入)实现多用户接入。将所有用户按照信道增益大小进行降序排列，相邻用户间若信道增益差大于将相邻用户分到不同组，若信道增益差小于则将分为同一组，即在降序排列的用户中，每遇到相邻信道增益差大于的两个用户时，序号小的用户是前一组的结束用户，序号大的用户是后一组的开始用户。在进行分组之后，组间用户由于功率差异较大，采用功率域非正交多址接入技术；组内用户由于功率差异较小，功率域上不容易进行区分，则采用scma技术。该接入策略可充分利用功率域与码域资源来解决大规模用户的接入问题。
[0081]
在功率域与码域联合的非正交多址接入策略下，两个关键问题需要解决：pd-noma中的多用户功率分配问题和scma中的码本设计问题。
[0082]
2.多用户的功率分配问题
[0083]
2.1问题形成
[0084]
假设系统总用户数为j，用户分成了w个组，表示为g＝[g1,l,gw,l gw],w∈[1,2,l,w]，每组用户集合表示为
其中，|gw|≥1为第w组内的总用户数。对任一用户i∈gw来说，其用户速率可表示为(1)
[0085][0086]
其中，b为信道带宽，为第w组内用户ui的信道增益，p
iw
为第w组内用户ui的功率。代表在所有组按照信道增益降序排列后，信道增益强于第w组的前w-1组用户对第w组中用户ui的干扰，为组内干扰。为服从cn(0,σ2)的信道噪声。因此，系统的和速率为(2)
[0087][0088]
为了使系统和速率最大，形成优化问题p1，可表示为(3)
[0089][0090]
其中，优化的目标是如何进行功率分配使系统的和速率最大。限制条件c1表示每个用户的传输速率不能小于r
min
；限制条件c2表示每个用户的功率分配不能为负；限制条件c3表示，当所有用户按照降序排列后，排序索引值较小的用户组的功率分配应当不大于排序索引值较大的用户组的功率分配；限制条件4表示，针对每组内多用户，排序索引值较小的用户的功率分配应当不大于排序索引值较大的用户的功率分配；限制条件c3和c4主要考虑保障所有用户通信的公平下，且符合功率域noma对强弱用户功率分配的原则；限制条件c5表示所有用户的分配功率和应不超过系统所能提供的总功率。公式(3)所示的p1是非凸的np-hard问题，无法用凸优化方法来解决。本文提出一个基于动态调整的多层迭代功率分配方法，可实现在限制条件c1-c5下最大化系统和速率的目的。
[0091]
2.2基于动态调整的多层迭代功率分配方法
[0092]
基于动态调整的多层迭代功率分配方法分为两个部分：第一，固定功率分配部分，主要为了满足用户的基础传输速率不小于r
min
；第二，动态调整功率分配部分，主要在满足
最低传输速率基础上优化功率分配，达到系统和速率最大的目的。
[0093]
2.2.1固定功率分配部分
[0094]
按照用户降序排列后的顺序，根据公式(1)，从索引值最小的用户u1，即最强用户开始计算速率，由于用户u1不受其他用户干扰，可确定用户u1在满足传输速率为最小传输速率r
min
时的最小分配功率p
1min
；当用户u1的最小分配功率p
1min
确定后，可根据公式(1)计算用户u2在满足最小传输速率r
min
时的最小分配功率由于用户u3的信道增益大小弱于用户u1与用户u2，它在进行非正交多址接入时要受到用户u1与用户u2的干扰，因此，在p
1min
与确定之后，可根据公式(1)计算出用户u3在满足传输速率为最小传输速率r
min
时的最小分配功率
[0095]
按照上述分配方法，可为每个用户计算出在满足最小传输速率时的最低分配功率。
[0096]
2.2.2动态调整功率分配部分
[0097]
从总功率中减去已分配功率此时的剩余功率为将p
res
平均分成j份，将每份大小为p
res
/j的功率暂时分配给每个用户，此时，用户ui得到的总功率为pi＝p
imin
+p
res
/j,i＝1,l,j。具体的动态调整功率分配方法如下：
[0098]
第一步：最强用户u1获得的总功率为
[0099][0100]
定义功率调整因子0＜α＜1，将用户u1所获功率中的暂时获取部分p
res
/j进行动态调整，将其中α
·
p
res
/j分配给相邻用户u2。此时，用户u2获得的总功率为
[0101][0102]
将其中暂时获取功率部分进行动态调整，同样地，将该部分与分配因子乘积之后的α(α
·
p
res
/j+p
res
/j)功率分配给u3。按照此分配策略，每个用户将自己暂时获取的功率部分利用分配因子进行加权后，再分配给索引序号较大的相邻用户，直到最后一个用户被分配完，一轮分配结束。该分配方法满足各用户总分配功率不超过最大功率，并且满足功率域noma的功率分配原则，即强用户分的配功率小于弱用户的公配功率。
[0103]
第二步：在一轮功率分配结束后，利用公式(2)计算系统和速率，当
[0104]r(n)-r
(n-1)
＞0(6)
[0105]
其中，n为迭代次数。公式(6)表明经过一轮功率分配后，系统和速率增加，分配过程有效，返回第一步，并重新计算每用户在该轮分配后剩余的暂时功率大小，针对每用户剩余的暂时功率进行新一轮的分配；
[0106]
当r
(n)-r
(n-1)
≤0时，说明系统功率分配没有实现和速率增加，返回第一步，并调整功率分配因子α
[0107]
①
当α＝α+α'∈(0,1)，α'∈(0,1)时，r
(n)-r
(n-1)
＞0，则将功率调整因子更新为α＝α+α'，对上一轮剩余的暂时功率按照调整过的分配因子重新进行分配；
[0108]
②
当α＝α-α'∈(0,1)，α'∈(0,1)时，r
(n)-r
(n-1)
＞0，则将功率调整因子更新为α＝α+α'，对上一轮剩余的暂时功率按照调整过的分配因子重新进行分配。
[0109]
第三步：当迭代次数达到最大值，则功率分配结束，每个用户获得的动态调整总功率为pi'。各用户最终获得的总功率可表示为
[0110][0111]
3.scma中的码本设计
[0112]
3.1构建高维星座集
[0113]
以上一节各个用户的分配功率结果为基础展开星座设计，假设每用户数据以log
2 m为一组进行传输，在每一个频率资源块上则需要m个星座点，用户u1的母星座集可表示为
[0114][0115]
该母星座集中的星座点是以p1为半径，圆周角等分为m份的圆周上的m点。
[0116]
由于在scma系统中，每个用户使用频率资源块的数量为dv，则每个用户需要dv维的星座集，共需要dv·
m个星座点。这些星座点可通过对每个用户的母星座旋转而得到，旋转的角度步长θ计算如下：
[0117][0118]
根据旋转角度步长θ可得到用户u1的dv维星座集为
[0119][0120]
其中，为第t维星座集，将映射到第t个资源块。
[0121]
针对用户u2，需在用户u1的dv维星座集基础上，将星座集内各星座点的幅度大小p1调整为用户u2的功率大小p2，同时进行相位旋转，旋转角度大小为
[0122][0123]
用户u2的dv维星座集为
[0124][0125]
针对后续排序索引为奇数的信号，其多维星座集基于用户u1来获得；针对后续排序索引为偶数的信号，其多维星座集基于用户u2来获得，可表示为
[0126][0127]
该方法从两个方面对所有用户的全体星座点进行了设计，其带来的优势是：第一，针对同一用户在不同资源上的星座点集，利用星座点能量不变而最大化相位来实现星座点间的位置布设的差异；第二，多用户在不同资源上的星座点集合之间利用不同用户星座点能量和相位的不同来实现星座点位置布设的差异化。星座点间足够的位置差异化可以为接收检测带来较低的误码率。
[0128]
3.2码本的形成
[0129]
在码本形成之前，还需要扩频映射矩阵，以4资源块、6用户、每用户使用2个资源块为例，可以得到映射矩阵f如公式(14)所示
[0130][0131]
映射矩阵的行数代表资源块数，列数代表用户数。其中，元素“1”代表用户与所使用资源块的映射，元素“0”代表用户未使用该资源块。本例中，列重dv＝2，说明每个用户使用两个资源块；行重df＝3，代表每个资源块能够被3个用户使用。根据映射矩阵与每用户的多维星座点，可以得到该示例中所有用户的总码本为
[0132][0133]
其中，f的第1列表示用户u1的码本，f的第2列表示用户u2的码本，其他用户的码本依此类推。接着，将上一节设计出的用户u1的多维星座根据f的第1列映射关系进行填充，可以得到用户u1具体的码本c1为(16)
[0134][0135]
其他用户的码本也按照相同的方法获得。最终，每个用户拥有自己专属的scma码本。
[0136]
以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围内。