CN113766621A - 多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法 - Google Patents

多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法 Download PDF

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CN113766621A CN202111229208.7A CN202111229208A CN113766621A CN 113766621 A CN113766621 A CN 113766621A CN 202111229208 A CN202111229208 A CN 202111229208A CN 113766621 A CN113766621 A CN 113766621A
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Abstract

本发明公开了一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，包括以下步骤予以实现：1）获取信道状态；2）确定用户权值；3）增益信噪比排序；4）单载波上用户最优功率分配；5）单载波上加权速率和计算；6）载波间最优功率分配；7）每个载波上用户最优功率分配。本发明方法能在保证用户公平性的前提下，使得***性能最优化的联合实现载波间和用户间的最优功率分配，降低了计算复杂度，能够快速求出最优的子载波和用户功率分配结果，提高***功率分配效率。

Description

多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配 方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，尤其涉及一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法。
背景技术
在移动通信中，对于多载波非正交多址接入***，如何在考虑用户公平性的前提下联合子载波和用户间的功率分配是***资源管理的一项重要内容。在多载波非正交多址接入***的下行链路中，往往需要研究在保证用户公平性的前提下使得***性能最优化的联合实现载波间和用户间的最优功率分配方法。
目前，针对多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配主要有基于动态规划的方法(L.Salaün,M.Coupechoux and C.S.Chen,Joint Subcarrier and PowerAllocation in NOMA:Optimal and Approximate Algorithms,IEEE Transactions onSignal Processing,vol.68,pp.2215-2230,2020)。但是该方法的计算复杂度非常高，不利于实际应用。针对上述问题，本发明提出一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，本方法无需采用动态规划方法，计算复杂度低，能快速求出最优的功率分配方案。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法。
为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：
一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，包括以下步骤：
F1.获取信道状态；
F2.确定用户权值；
F3.增益信噪比排序；
F4.单载波上用户最优功率分配；
F5.单载波上加权速率和计算；
F6.载波间最优功率分配；
F7.每个载波上用户最优功率分配。
所述获取信道状态方法为：获取多载波非正交多址接入***下行信道中发送端L个载波到K个用户接收端的信道增益系数矩阵
Figure BDA0003315371780000021
和L个载波在接收端处的噪声方差矩阵
Figure BDA0003315371780000022
其中gi,j为载波i到用户接收端j的信道增益系数，
Figure BDA0003315371780000023
为载波i在用户接收端j处的噪声方差，i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，载波个数L为大于或等于2的自然数，用户接收端个数K为大于或等于2的自然数。
所述确定用户权值方法为：根据每个用户的实际需求(例如：用户的优先级)确定每个用户的权值wk，k＝1,2,…,K，wk为大于或等于0的实数。
所述增益信噪比排序方法为：令增益噪声比
Figure BDA0003315371780000024
i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，将载波i的增益噪声比Ni,1,Ni,2,…,Ni,K按照从小到大的顺序排列为
Figure BDA0003315371780000025
其中πi(s)表示载波i的排在第s位的用户接收端的原序号，s＝1,2,…,K。
所述单载波上用户最优功率分配方法为：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000026
载波i的总发射功率为Ptotal，则载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000027
按下式计算：
Figure BDA0003315371780000028
Figure BDA0003315371780000029
Figure BDA00033153717800000210
…
Figure BDA0003315371780000031
Figure BDA0003315371780000032
Figure BDA0003315371780000033
其中：
Figure BDA0003315371780000034
运算符
Figure BDA0003315371780000035
表示：
Figure BDA0003315371780000036
所述单载波上加权速率和计算方法为：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000037
载波i上K个用户的发射功率为
Figure BDA0003315371780000038
则载波i上K个用户的加权速率和WSRi按下式计算：
Figure BDA0003315371780000039
其中：
Figure BDA00033153717800000310
Figure BDA00033153717800000311
…，
Figure BDA0003315371780000041
Wi为载波i的带宽。
所述载波间最优功率分配方法为：设P为***总发射功率，将总发射功率P分成M等份，每份功率
Figure BDA0003315371780000042
将M份功率θ逐次分配给L个载波的方法为：对于每份功率θ，将其分配给在现有状态下各载波在增加功率θ时K个用户的加权速率和增加量最大的载波。具体方法为：对于第k(k＝1,2,…,M)份功率θ，设当前状态下载波i(i＝1,2,…,L)已经分配到的功率为Pi k，(注：Pi 1＝Pi 1＝…＝Pi 1＝0)，对于载波i(i＝1,2,…,L)，先按照总功率为Pi k，增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000043
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000044
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000045
利用步骤F5.单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure BDA0003315371780000046
后按照总功率为(Pi k+θ)，增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000047
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000048
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000049
利用步骤F5.单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure BDA00033153717800000410
设载波m的加权速率和增加量时所有L个载波的加权速率和增加量的最大值，即
Figure BDA00033153717800000411
则将第k份功率θ分配给载波m，其它载波的功率保持不变。依次进行，直至最后一份功率θ分配完毕。
所述每个载波上用户最优功率分配为：由步骤F6.载波间最优功率分配方法得到的载波i分配到的功率为Pi final，i＝1,2,…,L，对于载波i，按照总功率为Pi final，增益噪声比为
Figure BDA00033153717800000412
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算可得载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA00033153717800000413
本发明的有益效果在于：
本发明方法可以实现多载波非正交多址接入***下行信道中在保证用户公平性的前提下使得***性能最优化的联合实现载波间和用户间的最优功率分配方法，降低了计算复杂度，提高了功率分配的效率，无需进行动态规划运算，解决了现有计算方法复杂度高的技术问题。
附图说明
图1为本发明方法的流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：参见图1。
一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，包括以下步骤予以实现：
1)获取信道状态：获取多载波非正交多址接入***下行信道中发送端L个载波到K个用户接收端的信道增益系数矩阵
Figure BDA0003315371780000051
和L个载波在接收端处的噪声方差矩阵
Figure BDA0003315371780000052
其中gi,j为载波i到用户接收端j的信道增益系数，
Figure BDA0003315371780000053
为载波i在用户接收端j处的噪声方差，i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，载波个数L为大于或等于2的自然数，用户接收端个数K为大于或等于2的自然数。
2)确定用户权值：根据每个用户的实际需求(例如：用户的优先级)确定每个用户的权值wk，k＝1,2,…,K，wk为大于或等于0的实数。
3)增益信噪比排序：令增益噪声比
Figure BDA0003315371780000061
i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，将载波i的增益噪声比Ni,1,Ni,2,…,Ni,K按照从小到大的顺序排列为
Figure BDA0003315371780000062
其中πi(s)表示载波i的排在第s位的用户接收端的原序号，s＝1,2,…,K。
4)单载波上用户最优功率分配：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000063
载波i的总发射功率为Ptotal，则载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000064
按下式计算：
Figure BDA0003315371780000065
Figure BDA0003315371780000066
Figure BDA0003315371780000067
…
Figure BDA0003315371780000068
Figure BDA0003315371780000069
Figure BDA00033153717800000610
其中：
Figure BDA00033153717800000611
运算符
Figure BDA00033153717800000612
表示：
Figure BDA0003315371780000071
5)单载波上加权速率和计算：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000072
载波i上K个用户的发射功率为
Figure BDA0003315371780000073
则载波i上K个用户的加权速率和WSRi按下式计算：
Figure BDA0003315371780000074
其中：
Figure BDA0003315371780000075
Figure BDA0003315371780000076
…，
Figure BDA0003315371780000077
Wi为载波i的带宽。
6)载波间最优功率分配：设P为***总发射功率，将总发射功率P分成M等份，每份功率
Figure BDA0003315371780000078
将M份功率θ逐次分配给L个载波的方法为：对于每份功率θ，将其分配给在现有状态下各载波在增加功率θ时K个用户的加权速率和增加量最大的载波。具体方法为：对于第k(k＝1,2,…,M)份功率θ，设当前状态下载波i(i＝1,2,…,L)已经分配到的功率为Pi k，(注：Pi 1＝Pi 1＝…＝Pi 1＝0)，对于载波i(i＝1,2,…,L)，先按照总功率为Pi k，增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000079
利用步骤4单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA00033153717800000710
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000081
利用步骤5单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure BDA0003315371780000082
后按照总功率为(Pi k+θ)，增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000083
利用步骤4单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000084
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000085
利用步骤5单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure BDA0003315371780000086
设载波m的加权速率和增加量时所有L个载波的加权速率和增加量的最大值，即
Figure BDA0003315371780000087
则将第k份功率θ分配给载波m，其它载波的功率保持不变。依次进行，直至最后一份功率θ分配完毕。
7)每个载波上用户最优功率：由步骤6载波间最优功率分配方法得到的载波i分配到的功率为Pi final，i＝1,2,…,L，对于载波i，按照总功率为Pi final，增益噪声比为
Figure BDA0003315371780000088
利用步骤4单载波最优功率分配方法计算可得载波i上K个用户的最优发射功率
Figure BDA0003315371780000089
本发明方法可以实现多载波非正交多址接入***下行信道中在保证用户公平性的前提下使得***性能最优化的联合实现载波间和用户间的最优功率分配方法，降低了计算复杂度，提高了功率分配的效率，无需进行动态规划运算，解决了现有计算方法复杂度高的技术问题。
如本实施例步骤2)至步骤7)中所述，本发明提供的一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，对获取到的信道状态进行排序后，通过逐次单步方法进行载波间的功率分配，无需利用动态规划方法进行计算，能有效地降低计算复杂度，提高了功率分配的效率。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
F1.获取信道状态；
F2.确定用户权值；
F3.增益信噪比排序；
F4.单载波上用户最优功率分配；
F5.单载波上加权速率和计算；
F6.载波间最优功率分配；
F7.每个载波上用户最优功率分配。
2.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F1中，获取信道状态方法为：获取多载波非正交多址接入***下行信道中发送端L个载波到K个用户接收端的信道增益系数矩阵
Figure FDA0003315371770000011
和L个载波在接收端处的噪声方差矩阵
Figure FDA0003315371770000012
其中gi,j为载波i到用户接收端j的信道增益系数，
Figure FDA0003315371770000013
为载波i在用户接收端j处的噪声方差，i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，载波个数L为大于或等于2的自然数，用户接收端个数K为大于或等于2的自然数。
3.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F2中，确定用户权值方法为：根据每个用户的实际需求确定每个用户的权值wk，k＝1,2,…,K，wk为大于或等于0的实数。
4.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F3中，增益信噪比排序方法为：令增益噪声比
Figure FDA0003315371770000021
i＝1,2,…,L，j＝1,2,…,K，将载波i的增益噪声比Ni,1,Ni,2,…,Ni,K按照从小到大的顺序排列为
Figure FDA0003315371770000022
其中πi(s)表示载波i的排在第s位的用户接收端的原序号，s＝1,2,…,K。
5.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F4中，单载波上用户最优功率分配方法为：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure FDA0003315371770000023
载波i的总发射功率为Ptotal，则载波i上K个用户的最优发射功率
Figure FDA0003315371770000024
按下式计算：
Figure FDA0003315371770000025
Figure FDA0003315371770000026
Figure FDA0003315371770000027
…，
Figure FDA0003315371770000028
Figure FDA0003315371770000029
Figure FDA00033153717700000210
其中：
Figure FDA00033153717700000211
运算符
Figure FDA0003315371770000031
表示：
Figure FDA0003315371770000032
6.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F5中，单载波上加权速率和计算方法为：对于给定的载波i，其增益噪声比为
Figure FDA0003315371770000033
载波i上K个用户的发射功率为
Figure FDA0003315371770000034
则载波i上K个用户的加权速率和WSRi按下式计算：
Figure FDA0003315371770000035
其中：
Figure FDA0003315371770000036
Figure FDA0003315371770000037
…，
Figure FDA0003315371770000038
Wi为载波i的带宽。
7.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F6中，载波间最优功率分配方法为：设P为***总发射功率，将总发射功率P分成M等份，每份功率
Figure FDA0003315371770000039
将M份功率θ逐次分配给L个载波的方法为：对于每份功率θ，将其分配给在现有状态下各载波在增加功率θ时K个用户的加权速率和增加量最大的载波；具体方法为：对于第k(k＝1,2,…,M)份功率θ，设当前状态下载波i(i＝1,2,…,L)已经分配到的功率为Pi k，(注：Pi 1＝Pi 1＝…＝Pi 1＝0)，对于载波i(i＝1,2,…,L)，先按照总功率为Pi k，增益噪声比为
Figure FDA0003315371770000041
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure FDA0003315371770000042
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure FDA0003315371770000043
利用步骤F5.单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure FDA0003315371770000044
后按照总功率为(Pi k+θ)，增益噪声比为
Figure FDA0003315371770000045
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算载波i上K个用户的最优发射功率
Figure FDA0003315371770000046
依据得到的K个用户的最优发射功率
Figure FDA0003315371770000047
利用步骤F5.单载波加权速率和计算方法计算载波i上K个用户的加权速率和
Figure FDA0003315371770000048
设载波m的加权速率和增加量时所有L个载波的加权速率和增加量的最大值，即
Figure FDA0003315371770000049
则将第k份功率θ分配给载波m，其它载波的功率保持不变，依次进行，直至最后一份功率θ分配完毕。
8.根据权利要求1所述的多载波非正交多址接入***中联合子载波和用户功率分配方法，其特征在于，所述步骤F中，每个载波上用户最优功率分配为：由步骤F6.载波间最优功率分配方法得到的载波i分配到的功率为Pi final，i＝1,2,…,L，对于载波i，按照总功率为Pi final，增益噪声比为
Figure FDA00033153717700000410
利用步骤F4.单载波最优功率分配方法计算可得载波i上K个用户的最优发射功率
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