CN110417497A - 最大化单用户功率分配可行区域的上行noma用户分簇方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法。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。首先，建立子信道上用户子集中每个用户的效用函数，结合子信道上的新用户子集中各个用户的信道增益及加性高斯噪声、各个用户的最小数据速率要求及最大发射功率限制；其次，以最大化小区中每个用户的效用值为原则，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。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。

Description

最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法
技术领域
本发明属于网络通信技术领域，具体涉及一种最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法。
背景技术
随着智能移动设备的***性增长，第五代移动通信***(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-orthogonal multiple access，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***尤为重要。
发明内容
本发明是针对上述技术问题，提出一种最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA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，本发明采用了如下技术方案：
最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA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，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每个用户的效用函数；
步骤1.1设定NOMA子信道相关网络参数，即子信道索引、子信道上的用户子集、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，...，K}；
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)计算子信道上用户子集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，
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)计算子信道上用户子集中各个用户的功率分配可行区域的大小；
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把子信道上用户子集中各个用户功率分配可行区域的大小作为它们各自的效用函数，根据公式(5)计算子信道k上用户子集Uk中用户i的效用值Ei(Uk)；
步骤2以最大化小区中每个用户的效用值为原则，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′；
当发现k'与k不同时，即找到与用户n在不同子信道上的用户n′，则利用步骤1.4中的效用函数(5)计算出k与k'子信道上用户子集Uk与Uk′中各个用户的能效值，并放入E向量中，具体为：
结合子信道k和k'上的用户子集Uk和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)计算子信道k和k'上的用户子集Uk和Uk′中各个用户的效用值；将计算得到的用户子集Uk和Uk′中各个用户的效用值记为E，E为向量；
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)计算子信道k和k′上用户子集和中各个用户的效用值；将计算得到的用户子集和中各个用户的效用值记为E*，E*为向量；
步骤2.8将E中每一个用户交换前的效用值与E*中对应用户的交换后效用值进行比较；
步骤2.9只要E*中有一个用户的效用值小于E中对应用户的效用值，或E*中不存在一个用户的效用值大于E中对应用户的效用值，则用户n和n′不交换子信道位置，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不相同且与不在同一子信道上的用户n′，结束比较，进入步骤2.11；
步骤2.10如果子信道k与k'，存在一个用户满足E*中交换后的效用值大于E中交换前的效用值，且其它用户E*中交换后的效用值不小于E中交换前其对应的效用值，则用户n与用户n′交换子信道位置，即用户n′放到子信道k上，用户n放到子信道k'上，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中的所有用户，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单个用户的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，以最大化网络中每个用户的效用值为原则，建立子信道与用户的一对多的匹配关系，该方法的用户分簇依据不仅是用户的信道增益、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***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
最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA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计算子信道上用户子集中各个用户的效用函数；
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)计算子信道k上用户子集Uk中3个用户每个所需的最小发射功率分别为：
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： 分别表示户子集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，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分别表示子信道k上用户子集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根据效用函数(5)计算子信道k上用户子集Uk中3个用户的效用值；
表示子信道k上用户子集Uk中第1个用户的效用函数；
表示子信道k上用户子集Uk中第2个用户的效用函数；
表示子信道k上用户子集Uk中第3个用户的效用函数；(5)
由公式(5)得出，所述子信道k上用户子集Uk中3个用户效用函数的大小与它们在子信道k上最佳发射功率值呈正相关性，即某个用户的效用函数较大时，子信道k上的用户更能获得最优的发射功率值，最终获得高的频谱效率。
图1所示，步骤2以最大化小区中12个用户每个用户的效用值为原则，建立子信道与用户一对多匹配关系，将12个用户分配到4个子信道中，且每个子信道上复用的最大用户数为3，具体步骤如下：
在单小区上行链路NOMA网络中，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12个用户在4个子信道上的信道增益，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，构成初始化的4×3维用户分簇匹配矩阵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′中6个用户的能效值，并放入E向量中，具体为
结合子信道k和k'上用户子集Uk与Uk′中6个用户从信道增益矩阵H查找到的信道增益、最小数据速率要求及最大发射功率限制，及子信道的加性高斯噪声，通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)计算子信道k和k'上的用户子集Uk与Uk′中6个用户的效用值；将计算得到的用户子集Uk与Uk′中6个用户的效用值记为E，E为6维向量；
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6个用户的信道增益、子信道加性高斯噪声、6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)计算子信道k和k'上用户子集和中6个用户的效用值；将计算得到的用户子集和中6个用户的效用值记为E*，E*为6维向量；
步骤2.8将E中6个用户交换前的效用值与E*中对应用户的交换后效用值进行比较；
步骤2.9只要E*中有一个用户的效用值小于E中对应用户的效用值，或E*中不存在一个用户的效用值大于E中对应用户的效用值，则用户n和n′不交换子信道位置，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上的用户n′，结束比较，进入步骤2.11；
步骤2.10如果子信道k与k'内6个用户，至少存在一个用户在E*中交换后的效用值大于E中交换前其对应的效用值，且其它用户在E*中交换后的效用值不小于E中交换前其对应的效用值，则用户n与用户n′交换信道位置，即用户n′放到子信道k上，用户n放到子信道k'上，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2.1至2.11，直至遍历用户集合N中的所有用户，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：
子信道1 子信道2 子信道3 子信道4
用户1 0.001192414 0.001839114 0.001564424 0.022684287
用户2 0.001181401 0.035359333 4.34E-07 0.000231325
用户3 6.61E-05 4.83E-05 0.020235343 0.001621397
用户4 0.000296967 0.000717084 0.016884003 0.00655743
用户5 0.007879562 0.000216054 0.005211745 0.000988899
用户6 0.002136228 0.033750883 0.000103201 0.000726094
用户7 0.000113378 0.000293611 2.29E-05 6.25E-06
用户8 0.001792827 0.005868782 0.010197565 0.012465351
用户9 0.029180855 0.000814227 0.000383269 0.006700824
用户10 4.76E-05 0.010901619 0.001793159 0.005991401
用户11 0.000494816 0.008063553 0.005952736 0.004515355
用户12 0.01364245 0.009197661 0.004926988 0.003641763
按照步骤2.1初始化4×3维用户分簇匹配矩阵：
按照步骤2.2与2.3得到n＝2，n′＝6；
按照步骤2.4，从M查到n＝2和n′＝6所在的子信道k＝4与k'＝2，子信道k＝4与k'＝2上用户子集U4＝{1，8，2}与U2＝{7，6，10}；
步骤2.5，由于k＝4与k'＝2不相等，从信道增益矩阵H查找到子信道k＝4与k'＝2上6个用户的信道增益：
|h1,4|2＝0.022684287、|h8,4|2＝0.012465351、|h2,4|2＝0.000231325、
|h7,2|2＝0.000293611、|h6.2|2＝0.033750883、|h10,2|2＝0.010901619；
查找到子信道k＝4与k'＝2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＝4上的3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：
|h2,4|2＝0.000231325、|h8,4|2＝0.012465351、|h1,4|2＝0.022684287，
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3个用户效用值：
E1(U4)＝0.305714229、E8(U4)＝0.445464582、E2(U4)＝0；
同样，将子信道k'＝2上3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：
|h7,2|2＝0.000293611、|h10,2|2＝0.010901619、|h6.2|2＝0.033750883，
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'＝2上3个用户效用值：
E7(U2)＝0.22391572、E6(U2)＝0、E10(U2)＝0.452360293，
将其放到效用值向量：
E＝[0.305714229，0.445464582，0，0.22391572，0，0.452360293]；
按照步骤2.6用户2和6交换位置，即用户2放到子信道2上，用户6放到子信道4上；得到子信道k＝4与k'＝2上新的用户子集与
从信道增益矩阵H查找到交换后子信道k＝4与k'＝2上6个用户的信道增益，由|h2,4|2＝0.000231325变为|h6,4|2＝0.000726094、|h6.2|2＝0.033750883变为|h2,2|2＝0.035359333，其它的参数不变；
将子信道k＝4上的3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：
|h6,4|2＝0.000726094、|h8,4|2＝0.012465351、|h1,4|2＝0.022684287；
将子信道k'＝2上3个用户按照信道增益递增的顺序进行排序：
|h7,2|2＝0.000293611、|h10,2|2＝0.010901619、|h2,2|2＝0.035359333，
同样通过步骤1.4得到的效用函数公式(5)计算子信道k＝4与k'＝2上6个用户新的效用值：
放到效用值向量：
E*＝[0.317054928，0.448647882，0，0.22391572，0，0.452360293]
按照步骤2.10，子信道k＝4与k'＝2上6个用户，至少存在一个用户满足E*中交换后的效用值大于E中交换前的效用值，且其它用户E*中交换后的效用值不小于E中交换前的效用值，则用户2与用户6交换信道位置，即用户2放到子信道2上，用户6放到子信道4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***(orthogonal frequency-division multiple access，简称OFDMA)及传统的NOMA***(简称NOMA-C1)的***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)方案中，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传统的NOMA-C1分簇方案中，是将信道增益最佳的3用户分配到相应的一个子信道上形成包括3个用户的用户簇。在实施中，如果在某个子信道的用户簇中，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的大小分别验证采用不同方法时的***接入用户数。验证结果如图2-3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，本发明提出的以最大化小区中每个用户的效用值为原则，建立子信道与用户的一对多的匹配关系，这种用户分簇方法不仅把用户信道状态作为用户分簇的依据，还把用户的质量服务要求(QoS)作为用户分簇的依据，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***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。

Claims (4)

1.最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法，其特征在于：最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA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，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每个用户的效用函数；
步骤2 以最大化小区中每个移动用户的效用值为原则，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。
2.根据权利要求1所述的最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法，其特征在于：所述步骤1的具体步骤如下：
步骤1.1 设定NOMA子信道相关网络参数；
步骤1.2 根据计算公式(3)计算子信道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中用户j的最小数据速率要求；
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 把子信道上用户子集中各个用户功率分配可行区域的大小作为它们各自的效用函数，根据公式(5)计算子信道k上用户子集Uk中用户i的效用值Ei(Uk)；
3.根据权利要求2所述的最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法，其特征在于：所述步骤1.1NOMA子信道相关网络参数包括子信道索引、子信道上的用户子集、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，...，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}。
4.根据权利要求1所述的最大化单用户功率分配可行区域的上行NOMA用户分簇方法，其特征在于：所述步骤2的具体步骤如下：
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′；
当发现k'与k不同时，即找到与用户n在不同子信道上的用户n′，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′中各个用户的能效值，并放入E向量中，具体为：
结合子信道k和k'的用户子集Uk和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'的用户子集Uk和Uk′中各个用户的效用值；将计算得到的用户子集Uk和Uk′中各个用户的效用值记为E，E为向量；
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′上的新用户子集和中各个用户的信道增益及加性高斯噪声、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)计算子信道k和k′上用户子集和中各个用户的效用值；将计算的用户子集和中各个用户的效用值记为E*，E*为向量；
步骤2.8 将E中每一个用户交换前的效用值与E*中对应用户的交换后效用值进行比较；
步骤2.9 只要E*中有一个用户的效用值小于E中对应用户的效用值，或E*中不存在一个用户的效用值大于E中对应用户的效用值，则用户n和n′不交换子信道位置，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不相同且与不在同一子信道上的用户n′，结束比较，进入步骤2.11；
步骤2.10 如果子信道k与k'内，至少存在一个用户满足E*中交换后的效用值大于E中交换前的效用值，且其它用户E*中交换后的效用值不小于E中交换前的效用值，则用户n与用户n′交换信道位置，即用户n′放到子信道k上，用户n放到子信道k'上，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中的所有用户，结束计算。
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