CN108989012B - 基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，其特点是：它的内容为：基于α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法进行功率分配的最优求解。具有方法科学合理，适用性强，低时延，高吞吐量，能够适用于复杂环境，延长网络生命周期等优点。

Description

基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法。

背景技术

在无线通信***中，多址接入技术是满足多个用户同时进行通信的必要手段，是无线物理层的核心技术之一，基站通过多址技术来区分并同时服务多个终端用户。多址接入技术主要分为正交多址接入技术(Orthogonal Multiple Access,OMA)和非正交多址接入技术(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)。而正交多址技术存在接入用户数与正交资源成正比的问题，因此***的容量受限。为了满足下一代移动通信***海量连接、大容量、低时延等需求，对NOMA的研究成为一个热点。

NOMA是指允许多个用户同时复用同一时域、频域或码域资源，对同一资源上的用户采用功率复用技术在发射端分配不同的功率，在接收端通过串行干扰消除接收机(Successive Interference Cancellation,SIC)实现解调。NOMA现有的研究成果中，功率复用技术已经有了一定的研究成果，NOMA在发送端通过功率复用技术，对不同的用户分配不同的信号功率。功率复用技术不同于简单的功率控制，而是由基站通过算法来进行功率分配。功率分配对每一个用户的吞吐量都有着非常大的影响，通过判断功率分配的比例，基站可以很容易的控制每个UE的吞吐量。显然，整个小区的吞吐量和小区边缘的吞吐量，以及用户的公平性都是与功率分配有关的。

最近，在一系列NOMA***中，用户公平性问题得到了关注。主要方法包括：固定功率分配方法保证用户的公平性、最大最小功率分配方法或最小最大功率分配方法和比例公平分配方法。虽然对于功率分配考虑了用户间的公平性问题，但是它依然存在一些问题，主要体现在：

(1)采用固定功率分配方法只能保证具有较小信道增益的用户被分配更多的功率，对于信道条件极差的用户，可能会遇到用户公平性差的问题。同样为保证用户的公平性，在NOMA下行链路后增加了协作阶段，对于弱用户来说具有强大的用户转发数据能力，但会增加额外的信道资源的成本，即用于协作的专用时隙。

(2)采用最小化最大中断概率功率分配方法来优化信号瞬时传输速率，采用最小化功率分配方法以中断传输概率为优化目标，使发生中断事件尽可能降低到最小。此类方法采用权重向量调整公平水平，但只能实现用户间的绝对公平性，其中，***吞吐量受到信道增益最差的用户的影响，而且权重向量的优化挑战性比较大。

(3)采用比例公平分配方法，对于此方法所有用户都可以得到服务，***吞吐量较高，是用户公平性和小区吞吐量的折中；但需要跟踪信道状态，算法复杂度较高。

发明内容

本发明的目的是，针对***容量和高公平性兼顾较差的问题，提出一种科学合理，实用性强，兼顾能力较好的基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法。

本发明的目的是由以下技术方案来优化的：一种基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，其特征是，它的内容为：基于α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法进行功率分配的最优求解，通过对NOMA下行链路信号分析，得到处于复用状态的用户目标速率为：

其中，K是在单个子频带上所有复用的总用户数量，p_k是分配给第k个用户的功率，H_k是用户k的信道矢量，δ²是加性高斯白噪声的方差，进一步的采用α公平效用函数构建复用用户的总目标速率：

p_k≥0,k∈[1:K] (4)其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，约束条件式(3)表示在基站端所允许的最大传输功率的限制条件，约束条件式(4)确保在子频带上的复用用户都能正常传输，u_α()为公平效用函数，α是公平性指标，可以实现用户间的多种公平性，统一了资源公平分配的表达式，当α＝0时，表示小区用户间没有公平性要求，u_α(R_k({p_k}))＝R_k({p_k})，通过增加α，则用户间的公平性也上升，当α→∞时，则表示小区内用户间绝对公平，为求式(2)的目标函数，引入内点法进行求解，而内点法是求解目标函数极小值的问题，因此需对式(2)进行转化，如式(5)所示：

p_k≥0,k∈[1:K] (7)其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，由于用户间干扰，上述问题是非凸的，因此，很难直接求解问题得到最优解，通过内点法目标函数构建惩罚函数可解决此问题：

其中，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，u_α()为公平效用函数，根据公平效用函数的特点，通过推导得到第k个用户的功率表达式(9)：

当α≥0,α≠1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

当α＝1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

本发明的基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，针对公平模型的构建，将公平目标添加到传统的功率分配模型中进行合理的目标函数设定，通过调整α的值来权衡功率分配中效率和公平问题，针对最优解的求取方式，将带有不等约束条件的公平目标函数转化成在可行域内求解的无约束问题，通过调整惩罚因子，在可行域内部逐步逼近原约束优化问题的最优解，具有科学合理，实用性强，***容量和高公平性兼顾能力较好等优点。

附图说明

图1为基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法流程图；

图2表示α值下计算函数最优解示意图。

具体实施方式

下面利用附图和具体实施方式对本发明作进一步说明。

本发明的一种基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，它的内容为：基于α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法进行功率分配的最优求解，通过对NOMA下行链路信号分析，得到处于复用状态的用户目标速率为：

其中，K是在单个子频带上所有复用的总用户数量，p_k是分配给第k个用户的功率，H_k是用户k的信道矢量，δ²是加性高斯白噪声的方差，进一步的采用α公平效用函数构建复用用户的总目标速率：

p_k≥0,k∈[1:K] (4)其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，约束条件式(3)表示在基站端所允许的最大传输功率的限制条件，约束条件式(4)确保在子频带上的复用用户都能正常传输，u_α()为公平效用函数，α是公平性指标，可以实现用户间的多种公平性，统一了资源公平分配的表达式，当α＝0时，表示小区用户间没有公平性要求，u_α(R_k({p_k}))＝R_k({p_k})，通过增加α，则用户间的公平性也上升，当α→∞时，则表示小区内用户间绝对公平，为求式(2)的目标函数，引入内点法进行求解，而内点法是求解目标函数极小值的问题，因此需对式(2)进行转化，如式(5)所示：

p_k≥0,k∈[1:K] (7)其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，由于用户间干扰，上述问题是非凸的，因此，很难直接求解问题得到最优解，通过内点法目标函数构建惩罚函数可解决此问题：

其中，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，u_α()为公平效用函数，根据公平效用函数的特点，通过推导得到第k个用户的功率表达式(9)：

当α≥0,α≠1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

当α＝1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

参考图1，本发明的基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，它的内容为：基于α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法进行功率分配的最优求解。

开始后，终端接收信号按照信道增益从小到大进行排序，由功率分配准则可知，信号功率分配按照从大到小的顺序进行分配，以保证各个终端用户都能将各自的信息可靠解码，通过NOMA下行链路信号模型得到用户信号的目标速率，从而列出子频带中复用用户总的目标速率公式，然后，根据α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法列出惩罚函数式，通过化简推导得出求解功率式，由当前功率值与前k个信号功率有关的性质可知需依次计算功率值。

图2为α值下计算函数最优解示意图，为求目标函数的功率最优解，采用已推导的公式进行求解，首先根据公式将公平性指标α，惩罚因子r，惩罚因子的递减系数C，功率进行初始化，之后判断是否满足终止条件，通过多次迭代之后计算出当前α下的最优功率分配值，然后，改变α的值，依次求解不同α值下的最优解。

本发明的软件程序依据自动化、网络和计算机处理技术编制，是本领域技术人员所熟悉的技术。

本发明的具体实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无需对所有的实施方式予以穷举，而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种基于公平性的非正交多址接入技术功率分配方法，其特征是，它的内容为：基于α公平效用函数构建公平模型结合惩罚函数内点法进行功率分配的最优求解，通过对NOMA下行链路信号分析，得到处于复用状态的用户目标速率为：

其中，K是在单个子频带上所有复用的总用户数量，p_k是分配给第k个用户的功率，H_k是用户k的信道矢量，δ²是加性高斯白噪声的方差，进一步的采用α公平效用函数构建复用用户的总目标速率：

p_k≥0,k∈[1:K] (4)

其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，约束条件式(3)表示在基站端所允许的最大传输功率的限制条件，约束条件式(4)确保在子频带上的复用用户都能正常传输，u_α()为公平效用函数，α是公平性指标，可以实现用户间的多种公平性，统一了资源公平分配的表达式，当α＝0时，表示小区用户间没有公平性要求，u_α(R_k({p_k}))＝R_k({p_k})，通过增加α，则用户间的公平性也上升，当α→∞时，则表示小区内用户间绝对公平，为求式(2)的目标函数，引入内点法进行求解，而内点法是求解目标函数极小值的问题，因此需对式(2)进行转化，如式(5)所示：

p_k≥0,k∈[1:K] (7)

其中，K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，由于用户间干扰，上述问题是非凸的，因此，很难直接求解问题得到最优解，通过内点法目标函数构建惩罚函数可解决此问题：

其中，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

K为子频带上复用的用户数目，p_k是分配给第k个用户的功率，是目标函数的优化变量，P为在子频带上的总功率，R_k({p_k})是复用状态的用户目标速率，u_α()为公平效用函数，根据公平效用函数的特点，通过推导得到第k个用户的功率表达式(9)：

当α≥0,α≠1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

当α＝1时，

其中，δ²是加性高斯白噪声的方差，H_k是用户k的信道矢量，P为在子频带上的总功率，η是所规定的总功率与所分配功率的差值，r为惩罚因子，是递减的正数序列，且

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