本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種非正交多址接入系統(tǒng)的功率分配方法。

背景技術(shù)：

隨著移動通信的快速發(fā)展，頻譜資源變得越來越緊缺，面對飛速增長的移動業(yè)務(wù)需求，如何有效提高有限頻譜資源的利用率成為第5代(5g)移動通信系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題之一。由于具備有效提高系統(tǒng)容量的特點，非正交多址(non-orthogonalmultipleaccess，noma)技術(shù)被廣泛認(rèn)為是很有前途的多址技術(shù)。noma的基本思想是在發(fā)送端采用功率復(fù)用技術(shù)以非正交方式發(fā)送，主動引入干擾信息，在接收端通過串行干擾消除(successiveinterferencecancellation，sic)，接收機(jī)實現(xiàn)正確解調(diào)，雖然接收機(jī)的復(fù)雜度有一定程度的提高但卻可以很好的提高頻譜利用率。

在非正交多址接入系統(tǒng)中，功率資源在多用戶間的分配策略也是研究的熱點之一。根據(jù)非正交多址技術(shù)中接收端串行干擾消除的解碼策略，為了達(dá)到系統(tǒng)最大吞吐量，發(fā)送端會把功率資源盡可能的向強(qiáng)用戶(即距離發(fā)送端較近的用戶)傾斜。這種情況會極大地?fù)p害弱用戶(即距離發(fā)送端較遠(yuǎn)的用戶)的通信性能，從實際應(yīng)用的角度來看這種單一策略沒有考慮到通信系統(tǒng)各用戶資源分配的公平性。因此，必須采取相應(yīng)措施來避免資源的利用不充分同時盡可能的提高系統(tǒng)性能。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明要解決的問題是：提出一種通過優(yōu)化資源在多用戶間的合理分配使系統(tǒng)總效用最大化的非正交多址接入系統(tǒng)的功率分配方法。

本發(fā)明為實現(xiàn)上述目的所提出的技術(shù)方案如下：

一種非正交多址接入系統(tǒng)的功率分配方法，包括以下步驟：

s1.初始化迭代系數(shù)和一組滿足約束條件的功率分配方案；

s2.基于功率分配方案計算每個用戶的信道均衡因子和松弛變量；

s3.基于計算的信道均衡因子和松弛變量的值對每個用戶的功率分配進(jìn)行優(yōu)化；

s4.對每個用戶優(yōu)化后的功率分配進(jìn)行整合，得到經(jīng)過優(yōu)化的功率分配方案，然后計算系統(tǒng)在優(yōu)化的功率方案下的總效用；

s5.使用經(jīng)過優(yōu)化的功率分配方案重復(fù)執(zhí)行步驟s2～s4直至系統(tǒng)總效用收斂，收斂時將對應(yīng)的經(jīng)過優(yōu)化的功率分配方案作為最優(yōu)的分配方案進(jìn)行輸出。

優(yōu)選地，計算信道均衡因子的具體過程如下：

其中

其中k表示迭代次數(shù)，hn表示基站到第n個用戶的信道響應(yīng)；pn表示分配給用戶n的發(fā)射功率；cn表示信道均衡因子，en定義為估計信號sn的均方誤差。

優(yōu)選地，所述計算松弛變量的具體過程如下：

優(yōu)選地，所述對每個用戶的功率分配進(jìn)行優(yōu)化的具體過程如下：

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明提出了一種非正交多址接入系統(tǒng)的功率分配方法，采用提出的功率分配方法，系統(tǒng)可在兼具公平性和盡可能提高和速率的情況下達(dá)到效用最大化。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的方法的收斂過程示意圖。

圖2為對于不同信道響應(yīng)的方差，在不同總發(fā)送功率約束下，基于本發(fā)明的功率分配方案和傳統(tǒng)均勻功率分配方案在系統(tǒng)總效用上的對比圖。

圖3為在不同總發(fā)送功率約束下，基于本發(fā)明的功率分配方案和傳統(tǒng)均勻功率分配方案在系統(tǒng)和速率上的對比圖。

圖4為本發(fā)明提供的方法流程圖。

具體實施方式

附圖僅用于示例性說明，不能理解為對本專利的限制；

為了更好說明本實施例，附圖某些部件會有省略、放大或縮小，并不代表實際產(chǎn)品的尺寸；

對于本領(lǐng)域技術(shù)人員來說，附圖中某些公知結(jié)構(gòu)及其說明可能省略是可以理解的。

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的說明。

實施例1

本發(fā)明適用的通信系統(tǒng)模型由一個單天線基站和n個單天線接收用戶組成；基站到第n個用戶的信道響應(yīng)表示為hn，其中假設(shè)基站端能夠完全知道整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的信道狀態(tài)信息(channelstateinformation，csi)；因此，基站能夠適當(dāng)?shù)胤峙淦浒l(fā)射功率以提高通信系統(tǒng)的通信性能；不失一般性，假設(shè)基站到各用戶的信道響應(yīng)滿足不等式|h1|≤|h2|≤…≤|hn|。

根據(jù)非正交多址接入(noma)技術(shù)協(xié)議，發(fā)送端采用疊加編碼技術(shù)，因此第n個用戶的接收信號可表示為：

其中pn表示基站分配給第n個用戶的發(fā)送功率，表示第n個用戶端的加性高斯噪聲。

各用戶端執(zhí)行串行干擾消除后，可將弱用戶的信息完全解碼并從干擾信號中去除，故第n個用戶端的可達(dá)速率表達(dá)式為：

在此非正交多址無線通信系統(tǒng)中，基站和多用戶間采用斯坦科爾伯格博弈的策略，基站(領(lǐng)導(dǎo)者)為分配給各用戶的功率定價來最大化收入，用戶(跟隨者)根據(jù)基站的定價決定發(fā)送功率來最大化效用。

最大化基站(領(lǐng)導(dǎo)者)收入的優(yōu)化問題可表述為：

最大化用戶(跟隨者)效用的優(yōu)化問題可表述為：

其中，un＝rn-λnpn(λn)，表示用戶n的效用函數(shù)，該效用函數(shù)由收入和支出兩部分組成，收入部分由可達(dá)速率提供，支出部分由功率消耗所產(chǎn)生的的代價得到。

問題(3)和(4)構(gòu)成斯坦科爾伯格博弈(主從博弈，基站為主動者，用戶端為從動者)。

為求解主從博弈問題，我們首先用引理1將其轉(zhuǎn)化為常見優(yōu)化問題，通過凸優(yōu)化的方法求解該優(yōu)化問題來尋找原問題的斯坦科爾伯格均衡點。

引理1：給定單價當(dāng)

滿足條件時，用戶n的最優(yōu)發(fā)送功率滿足等式

證明：通過求解問題(4)的最優(yōu)解可得：

說明：當(dāng)時，由于價格過高，用戶n將不參與博弈；此時n個用戶的通信系統(tǒng)將變?yōu)?n-1)個用戶的通信系統(tǒng)；因此，我們只考慮(5)式滿足的情況。

由此，原問題可重建為：

其中問題(8)為目標(biāo)函數(shù)非凸的優(yōu)化問題，我們通過引入松弛變量來處理。

引理2：令(a是正實數(shù))，則有：

且等式右邊的最優(yōu)解為：a＝2^1-b.；

證明：f(a)是凹函數(shù)，則最優(yōu)解可由求解可得。

用戶n執(zhí)行串行干擾消除后的接收信號為：

定義估計信號sn的均方誤差(mse)函數(shù)：

上式通過展開計算可得：

通過凸優(yōu)化知識可得使得en取得最小值的最優(yōu)解

帶回(12)式則有：

由上式可得：

然后，利用引理2和(15)，問題(8)被等價地轉(zhuǎn)化為均方誤差最小化問題：

其中，an為引入的松弛變量。當(dāng)an和cn均取最優(yōu)解時，目標(biāo)函數(shù)為

問題(16)的目標(biāo)函數(shù)是非線性的，接下來通過將其解耦成三個優(yōu)化子問題，并采用交替迭代方法來求解信道均衡因子、松弛變量和功率分配。

具體來說就是在第k步迭代中，首先給定第(k-1)步迭代求得的最優(yōu)功率值此時通過解以下優(yōu)化問題來求解第k次迭代最優(yōu)信道均衡因子：

該問題為凸問題且有閉式解：

得到第k步迭代的最優(yōu)解代入求解如下優(yōu)化問題來得到松弛變量an在第k次迭代時的最優(yōu)值：

由引理2可得該問題閉式解：

其中：

得到第k步迭代的最優(yōu)解和后，代入求解優(yōu)化問題：

該問題是關(guān)于變量pn的一個凸優(yōu)化問題，可以使用cvx工具箱直接求解。

由上面的分析可知，問題(18)和(19)均存在閉式最優(yōu)解且問題(22)為凸問題，故每次迭代得到的目標(biāo)函數(shù)值是單調(diào)非減；由于基站的發(fā)射總功率約束，使得該值存在上界，所以最終該迭代的解會收斂到一個穩(wěn)定解。

在以上基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供的方法包括以下流程：

步驟0：設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)；

步驟1：初始化迭代系數(shù)k＝0，給定一組滿足約束條件的功率分配

步驟2：計算信道均衡因子和松弛變量：

forn＝1：n

計算

計算

其中

endfor

步驟3：求解功率分配問題：

步驟4：計算系統(tǒng)總效用，檢驗是否收斂，若收斂，結(jié)束此過程，當(dāng)前所得功率分配結(jié)果即為最優(yōu)功率分配方案；否則設(shè)置k＝k+1并以本次迭代所得功率分配結(jié)果為下次迭代初始值，跳轉(zhuǎn)到步驟2。

實施例2

本發(fā)明效果可以通過下面仿真實驗結(jié)果進(jìn)一步說明，仿真實驗的基本流程參照圖4。

對于圖1，設(shè)置系統(tǒng)中用戶個數(shù)n＝3?；镜礁饔脩舻男诺理憫?yīng)是均值為0、方差分別為的獨立同分布復(fù)高斯隨機(jī)變量，且基站總發(fā)射功率為p/σ²＝20db。

對于圖2和圖3，設(shè)置系統(tǒng)中用戶個數(shù)n＝2。強(qiáng)用戶的信道方差弱用戶信道方差分別設(shè)置為及

(六)仿真分析與結(jié)果

圖1是給定發(fā)送功率的條件下，本發(fā)明中的迭代算法的收斂過程圖。由仿真結(jié)果圖可以直觀的看出該算法可以很快收斂到穩(wěn)定解。

圖2是對于不同信道響應(yīng)的方差，在不同總發(fā)送功率約束下，基于本發(fā)明的功率分配方案和傳統(tǒng)均勻功率分配方案在系統(tǒng)總效用上的對比。從圖2可以看出在任意功率約束下，基于本發(fā)明的功率分配方案總是優(yōu)于傳統(tǒng)均勻功率分配方案。

圖3是在不同總發(fā)送功率約束下，基于本發(fā)明的功率分配方案和傳統(tǒng)均勻功率分配方案在系統(tǒng)和速率上的對比。從圖3可以看出基于本發(fā)明的功率分配方案在保證系統(tǒng)和速率性能的前提下充分考慮了強(qiáng)弱用戶間的公平性。所以不難看出，基于本發(fā)明的功率分配方案的性能優(yōu)于傳統(tǒng)均勻功率分配方案方案。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護(hù)范圍之內(nèi)。