CN110677839B - 一种基于noma的5g移动通信资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于NOMA的5G移动通信资源分配方法，包括如下步骤：步骤1，设定5G移动通信场景，并进行信道状态信息采集；步骤2，比较信道功率增益大小，确定强用户和弱用户，计算得到强用户的最优的发送功率和弱用户的最优发送功率；步骤3，比较发送功率与有效干扰功率限制，确定大小关系；步骤4，基于步骤2与3的比较结果，进行场景分类；步骤5，基于场景分类的结果，进行功率分配；步骤6，输出发送功率。

Description

一种基于NOMA的5G移动通信资源分配方法

技术领域

本发明属于移动通信技术领域，尤其涉及一种基于NOMA的5G移动通信资源分配方法。

背景技术

D2D(Device-to-Device)通信使得临近的通信器件能够在不需要基础设施支持的条件下直接进行通信，从而能够降低基站与核心网的负载。NOMA(Non-OrthogonalMultiple Access，非正交多址接入)技术允许多个用户通过功率域的复用与SIC(Successive Interference Cancellation，串行干扰消除)来共享相同的时频通信资源，从而提高***吞吐量与能量有效性。

结合D2D通信与NOMA能够极大提高未来无线通信***的服务质量。然而，D2D通信会对传统蜂窝无线通信***引入额外的干扰，同样的D2D通信本身也会面临来自传统蜂窝无线通信***的干扰。因此，一个有待解决的关键问题是如何分配发送功率以协调D2D***与传统蜂窝无线通信***之间的干扰，同时在保证D2D用户不同的QoS要求的条件下最大化D2D组的信息速率。

发明内容

发明目的：为解决背景技术中存在的技术问题，本发明提出一种基于NOMA(非正交多址接入)的5G(第5代)移动通信资源分配方法，包括如下步骤：

步骤1，设定5G移动通信场景，并进行信道状态信息采集；

步骤2，比较信道功率增益大小，确定强用户和弱用户，计算得到强用户的最优的发送功率和弱用户的最优发送功率；

步骤3，比较发送功率与有效干扰功率限制，确定大小关系；

步骤4，基于步骤2与3的比较结果，进行场景分类；

步骤5，基于场景分类的结果，进行功率分配；

步骤6，输出发送功率。

步骤1包括：

步骤1-1，设定如下5G移动通信场景：包含一个基站BS以及三个以上的用户终端UT，设定其中有三个用户终端分别记为Tx，Rx1与Rx2，Tx，Rx1与Rx2形成设备至设备D2D通信组，D2D通信组中Tx为发送端，通过NOMA的方式传输信号给两个接收端Rx1与Rx2；

步骤1-2，采集信道状态信息：D2D通信组中的发送端Tx采集其与接收端Rx1与Rx2之间的信道状态信息h_i,i＝1,2，以及与基站BS之间的信道状态信息g，发送端Tx与接收端Rx1与Rx2的信道状态信息分别为h₁与h₂。

步骤2包括：

步骤2-1，Tx与Rx1间的信道功率增益为|h₁|²，Tx与Rx2间的信道功率增益为|h₂|²，如果信道功率增益|h₁|²＞|h₂|²，Rx1为强用户，Rx2为弱用户，|·|表示模运算；如果|h₁｜²＜｜h₂｜²，Rx2为强用户，Rx1为弱用户；

步骤2-2，设定Rx1为强用户，Rx2为弱用户，计算得到强用户的最优的发送功率和弱用户的最优发送功率。

步骤2-2包括：

步骤2-2-1，强用户得到的信息速率R₁表示为：

弱用户得到的信息速率R₂表示为：

其中，N₀为加性高斯白噪声的功率；P₁为发送端发送至强用户的信号功率，P₂为发送端发送至弱用户Rx2的信号功率；

步骤2-2-2，Rx1和Rx2在通信时需要控制对基站BS造成的干扰不超过给定的干扰门限值P_th，即需要满足：

(P₁+P₂)｜g|²≤P_th  (3)

其中，g为发送端Tx到基站BS之间的信道状态信息；

步骤2-2-3，使用

与

分别表示强用户需要达到的最低信息速率与弱用户需要达到的最低信息速率，在满足最低信息速率限制与干扰门限约束的条件下，求解如何分配强用户与弱用户的功率用以最大化D2D通信组的信息速率和的问题。

步骤2-2-3中，如何分配强用户与弱用户的功率用以最大化D2D通信组的信息速率和的问题被表示为以下的优化问题：

其中P_T表示发送端Tx能够使用的最大发送功率。

步骤2-2-3中，所述优化问题中的条件3：P₁+P₂≤P_T和条件5：(P₁+P₂)|g|²≤P_th只有一个会成立，由于R₂是关于P₂的单增函数，因此条件3与条件5的约束条件必为等号，定义参数P＝min(P_T,P_th/|g|²)，则所述优化问题能够简化为：

展开目标函数R₁+R₂得到：

利用约束条件P₁+P₂＝P，因此目标函数简化为：

对于式(5)中的优化问题，令目标函数

并展开式(3)中约束条件，进一步简化为仅关于参数P₁的优化问题：

优化问题(8)中的目标函数f(P₁)的导数为：

由于|h₁|²＞|h₂|²，因此d(f(P₁))/dP₁总是大于0，所以f(P₁)为关于变量P₁的单增函数，因此优化问题即公式(8)的最优解应满足如下等式：

从而解得强用户的最优的发送功率P₁ ^*为：

最后利用关系P₁+P₂＝P，得到弱用户的最优发送功率

为：

步骤3包括：比较P_T与P_th/|g|²的大小，其中P_T为发送端Tx的最大发送功率限制，P_th/|g|²为有效干扰功率限制，P_th为基站BS能够接受的最大干扰功率值。

步骤4包括：基于步骤2与3的比较结果，场景分为以下4类。

类1：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送端Tx的最大发送功率限制大于有效干扰功率限制；

类2：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送端Tx的最大发送功率限制小于有效干扰功率限制；

类3：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送端Tx的最大发送功率限制大于有效干扰功率限制；

类4：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送端Tx的最大发送功率限制小于有效干扰功率限制。

步骤5包括：

对于类1，执行功率分配方式1：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁*、

其中N₀为加性高斯白噪声的功率，

表示保证弱用户Rx2的QoS需要达到的最低信息速率；

对于类2，执行功率分配方式2：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁*、

对于类3，执行功率分配方式3：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

其中

表示保证强用户Rx1的QoS需要达到的最低信息速率；

对于类4，执行功率分配方式4：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

有益效果：本发明基于强弱用户分类以及发送功率与干扰功率关系分类，提出了一种D2D用户组的下行NOMA功率分配方法。本发明能够满足D2D用户的最低信息速率限制，最大化D2D用户组的信息速率，且能够有效控制产生的外部干扰。使用本发明方法分配的发送功率在理论上总是最优的，且仅需要很小的计算量。最后通过实验表明，本发明中提出的方法能够取得优异的性能。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做更进一步的具体说明，本发明的上述和/或其他方面的优点将会变得更加清楚。

图1是本发明考虑的基于NOMA的5G移动通信场景。

图2是随机产生的100次信道实现下本发明方法得到的信息速率的记录。

图3是随机产生的100次信道实现下本发明方法得到的发送功率的使用的记录。

图4是随机产生的100次信道实现下本发明方法得到的对BS产生的干扰功率的记录。

具体实施方式

本发明考虑的基于NOMA的5G移动通信场景如图1所示，包含一个基站(BaseStation，BS)与多个用户终端(User Terminal，UT)，其中三个UT(图中的Tx，Rx1与Rx2)形成D2D通信组直接通信的方式以减轻对BS和核心网的负载。D2D通信组中Tx为发送端，通过NOMA的方式传输信号给两个接收端Rx1与Rx2。其他的UT仍通过上行链路正常传输信号给BS。

图中发送端Tx与接收端Rx1与Rx2的信道状态信息分别为h₁与h₂。在两个接收端中，与发送端间信道功率增益大的接收端被称为强用户，反之，与发送端间信道功率增益小的接收端被称为弱用户。图中所示的Tx与Rx1间的信道功率增益大于Tx与Rx2间的信道功率增益，即|h₁|²＞|h₂｜²，因此Rx1被称为强用户，Rx2被称为弱用户。

根据NOMA技术准则，发送至弱用户Rx2的信号功率P₂应该大于发送至强用户的信号功率P₁。发送至强用户的信号对弱用户的干扰很小因而能够被看作噪声，这样弱用户就能直接解码接收到的信息符号。另一边，强用户可通过SIC(Successive InterferenceCancellation，串行干扰消除)技术移除解码后的弱用户信号后解码出自己的信息符号。强用户得到的信息速率R₁表示为：

其中N₀为加性高斯白噪声的功率。弱用户得到的信息速率R₂表示为：

另一方面，D2D设备在通信时需要控制对基站BS造成的干扰不超过给定的门限值，需要满足：

(P₁+P₂)|g|²≤P_th  (3)

其中g为发送端Tx到基站BS之间的信道状态信息，P_th为干扰门限，表示基站BS在正常通信时能够接收的最大外部干扰功率值。

为保证D2D组通信的服务质量(Quality of service，QoS)，要求强弱用户的信息速率都需要满足最低速率要求，使用

与

分别表示强用户需要达到的最低信息速率与弱用户需要达到的最低信息速率。在满足最低信息速率限制与干扰门限约束的条件下，如何分配强用户与弱用户的功率用以最大化D2D组的信息速率和的问题被表示为以下的优化问题：

其中P_T表示发送端Tx能够使用的最大发送功率。

注意到优化问题中的条件3与条件5只有一个会成立，同时由于R₂是关于P₂的单增函数，因此条件3与条件5的约束条件必为等号。定义P＝min(P_T,P_th/｜g|²)，则上述优化问题能够简化为：

展开目标函数R₁+R₂得到：

利用约束条件P₁+P₂＝P，因此目标函数简化为：

对于式(5)中的优化问题，令

并展开式(3)中约束条件，进一步简化为仅关于参数P₁的优化问题：

优化问题(8)中的目标函数f(P₁)的导数为：

由于|h₁|²＞|h₂|²，因此d(f(P₁))/dP₁总是大于0，所以f(P₁)为关于变量P₁的单增函数。因此优化问题(8)的最优解应满足如下等式：

从而解得强用户的最优的发送功率P₁ ^*为：

最后利用关系P₁+P₂＝P，得到弱用户的最优发送功率

为：

以上给出了在Rx1为强用户Rx2为弱用户时的发送功率分配方法，强弱用户互换时的功率分配方法可通过类似的方法得到，通过以上方法得到的发送功率在理论上是最优的，且仅需要很小的计算量。

实施例

如图4所示，本发明公开了以下步骤：

步骤1，信道状态信息采集。D2D组中的发送端Tx采集其与接收端Rx1与Rx2之间的信道状态信息h_i,i＝1,2，以及与基站BS之间的信道状态信息g。

步骤2，比较信道功率增益大小，确定强弱用户。如果信道功率增益|h₁|²＞|h₂|²(|·|表示模运算)，Rx1为强用户，Rx2为弱用户；如果|h₁|²＜|h₂|²，Rx2为强用户，Rx1为弱用户。

步骤3，比较发送功率与有效干扰功率限制，确定大小关系。比较P_T与P_th/|g|²的大小，其中P_T为发送端Tx的最大发送功率限制，P_th/|g|²为有效干扰功率限制，P_th为基站BS能够接受的最大干扰功率值。

步骤4，场景分类。基于步骤2与3的比较结果，分为以下4类。

类1：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送功率大于有效干扰功率。

类2：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送功率小于有效干扰功率。

类3：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送功率大于有效干扰功率。

类4：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送功率小于有效干扰功率。

步骤5，功率分配。对于类1，执行功率分配方式1。发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁*、

其中N₀为加性高斯白噪声的功率，

表示保证Rx2的QoS需要达到的最低信息速率。

对于类2，执行功率分配方式2。发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁*、

对于类3，执行功率分配方式3。发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

其中

表示保证Rx1的QoS需要达到的最低信息速率。

对于类4，执行功率分配方式4。发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

步骤6，输出发送功率。

为验证本发明中提出的导频分配方法的性能，使用了如下仿真。仿真中使用了衰落信道中通用的路径损耗模型。设置路径损耗系数υ＝3，单位距离下的信道衰落系数的方差为1，即

其中d₀为Tx到基站BS之间的距离，d_n,n∈{1,2}n为1时d_n表示Tx到Rx1的距离，n为2时d_n表示Tx到Rx2的距离。为方便比较，仿真中让Tx到Rx1的距离小于Tx到Rx2间的距离，使用了

与

另外相对于D2D组内用户间的距离，D2D用户与BS间的距离要更远，因此设置

为便于表示，归一化接收端Rx1与Rx2的加性高斯白噪声的功率为1，即N₀＝1，发送端总功率定义为P_T/N₀，干扰功率限制定义为P_th/N₀，仿真中设置为P_T/N₀＝20，P_th/N₀＝50。设置Rx1与Rx2最低信息速率要求为2bit/s。

图2、图3与图4所示的是随机产生的100次信道实现下本发明方法得到的信息速率，发送功率的使用以及对BS产生的干扰功率的记录。从图2中可以看到在任何一次信道实现下Rx1与Rx2最低2bit/s的信息速率要求都能满足，同时取得了最大的总信息速率。图3中所示的是Rx1与Rx2各自的发送功率以及总发送功率的使用情况，从图中可以看出任何一次信道实现下的总发送功率都没有超过Tx的最大为20发送功率限制。图4中所示的是Tx对BS产生的干扰功率，从图中可以看出任何一次信道实现下的总发送功率都没有超过BS的最大为50干扰功率限制。以上仿真结果充分说明了本专利中提出的功率分配方法的有效性，能够在满足总发送功率约束以及干扰功率限制的条件下保证D2D组内用户的最低信息速率要求取得D2D组的下行链路最大信息速率和。

本发明提供了一种基于NOMA的5G移动通信资源分配方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (1)

1.一种基于NOMA的5G移动通信资源分配方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，设定5G移动通信场景，并进行信道状态信息采集；

步骤2，比较信道功率增益大小，确定强用户和弱用户，计算得到强用户的最优的发送功率和弱用户的最优发送功率；

步骤3，比较发送功率与有效干扰功率限制，确定大小关系；

步骤4，基于步骤2与3的比较结果，进行场景分类；

步骤5，基于场景分类的结果，进行功率分配；

步骤6，输出发送功率；

步骤1包括：

步骤1-1，设定如下5G移动通信场景：包含一个基站BS以及三个以上的用户终端UT，设定其中有三个用户终端分别记为Tx，Rx1与Rx2，Tx，Rx1与Rx2形成设备至设备D2D通信组，D2D通信组中Tx为发送端，通过NOMA的方式传输信号给两个接收端Rx1与Rx2；

步骤1-2，采集信道状态信息：D2D通信组中的发送端Tx采集其与接收端Rx1、Rx2之间的信道状态信息，以及发送端Tx与基站BS之间的信道状态信息g，发送端Tx与接收端Rx1、Rx2的信道状态信息分别为h₁与h₂；

步骤2包括：

步骤2-1，Tx与Rx1间的信道功率增益为|h₁|²，Tx与Rx2间的信道功率增益为|h₂|²，如果信道功率增益|h₁|²>|h₂|²，Rx1为强用户，Rx2为弱用户，|·|表示模运算；如果|h₁|²<|h₂|²，Rx2为强用户，Rx1为弱用户；

步骤2-2，设定Rx1为强用户，Rx2为弱用户，计算得到强用户的最优的发送功率和弱用户的最优发送功率；

步骤2-2包括：

步骤2-2-1，强用户得到的信息速率R₁表示为：

弱用户得到的信息速率R₂表示为：

其中，N₀为加性高斯白噪声的功率；P₁为发送端发送至强用户的信号功率，P₂为发送端发送至弱用户Rx2的信号功率；

步骤2-2-2，Rx1和Rx2在通信时需要控制对基站BS造成的干扰不超过给定的干扰门限值P_th，即需要满足：

(P₁+P₂)|g|²≤P_th    (3)

其中，g为发送端Tx到基站BS之间的信道状态信息；

步骤2-2-3，使用与分别表示强用户需要达到的最低信息速率与弱用户需要达到的最低信息速率，在满足最低信息速率限制与干扰门限约束的条件下，求解如何分配强用户与弱用户的功率用以最大化D2D通信组的信息速率和的问题；

步骤2-2-3中，如何分配强用户与弱用户的功率用以最大化D2D通信组的信息速率和的问题被表示为以下的优化问题：

其中P_T表示发送端Tx能够使用的最大发送功率；

步骤2-2-3中，所述优化问题中的条件3：P₁+P₂≤P_T和条件5：(P₁+P₂)|g|²≤P_th只有一个会成立，由于R₂是关于P₂的单增函数，因此条件3与条件5的约束条件必为等号，定义参数P＝min(P_T,P_th/|g|²)，则所述优化问题能够简化为：

展开目标函数R₁+R₂得到：

利用约束条件P₁+P₂＝P，因此目标函数简化为：

对于式(5)中的优化问题，令目标函数并展开式(3)中约束条件，进一步简化为仅关于参数P₁的优化问题：

优化问题(8)中的目标函数f(P₁)的导数为：

由于|h₁|²>|h₂|²，因此d(f(P₁))/dP₁总是大于0，所以f(P₁)为关于变量P₁的单增函数，因此优化问题即公式(8)的最优解应满足如下等式：

从而解得强用户的最优的发送功率P₁ ^*为：

最后利用关系P₁+P₂＝P，得到弱用户的最优发送功率为：

步骤3包括：比较P_T与P_th/|g|²的大小，其中P_T为发送端Tx的最大发送功率限制，P_th/|g|²为有效干扰功率限制，P_th为基站BS能够接受的最大干扰功率值；

步骤4包括：基于步骤2与3的比较结果，场景分为以下4类：

类1：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送端Tx的最大发送功率限制大于有效干扰功率限制；

类2：Rx1为强用户，Rx2为弱用户；发送端Tx的最大发送功率限制小于有效干扰功率限制；

类3：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送端Tx的最大发送功率限制大于有效干扰功率限制；

类4：Rx1为弱用户，Rx2为强用户；发送端Tx的最大发送功率限制小于有效干扰功率限制；

步骤5包括：

对于类1，执行功率分配方式1：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

其中N₀为加性高斯白噪声的功率；

对于类2，执行功率分配方式2：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

对于类3，执行功率分配方式3：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

对于类4，执行功率分配方式4：发送端Tx按以下方式分配发送至Rx1与Rx2的信号功率值P₁ ^*、

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