阅读说明：本技术 上行noma系统中最大化能量效率的功率分配方法 (The power distribution method of maximum energy efficiency in uplink NOMA system ) 是由 李兴旺 陈慧 黄玉霞 李晓静 于 2019-08-22 设计创作，主要内容包括：本发明公开了上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法,适用于包括1个基站和<I>M</I>个用户的上行NOMA系统,且基站和用户都配置单天线。基站根据信道条件以及每个用户的最低单位带宽速率需求计算每个用户所需的最低功率,建立满足用户的最低速率需求且最大化能量效率的功率分配优化问题,求解该优化问题,得到能量效率最大时所有用户的总功率,然后按照信道强度递减的次序为第二个用户至最后一个用户分配该用户所需的最低功率,并将其余的功率分配给信道强度最高的用户。(The invention discloses the power distribution method of maximum energy efficiency in uplink NOMA system, be suitable for include 1 base station and M The uplink NOMA system of a user, and base station and user configure single antenna.Lowest power needed for base station calculates each user according to the minimum unit bandwidth rate requirement of channel condition and each user, foundation meets the minimum speed limit demand of user and the power distribution optimization problem of maximum energy efficiency, solve the optimization problem, obtain the general power of all users when energy efficiency maximum, then the order to successively decrease according to channel strength is lowest power needed for second user distributes the user to the last one user, and gives channel strength highest user remaining power distribution.)

上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法

技术领域

本发明涉及通信领域，尤其是上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法。

背景技术

随着物联网和互联网的快速发展，智能终端日渐普及，对移动通信系统的连接数密度、流量密度、用户体验速率、峰值速率、时延、移动性等要求越来越高。同时，日益短缺的频谱资源限制了大规模智能终端的连接。因此，在面对海量用户接入时，引入了非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术。功率域复用的NOMA技术是5G网络的候选技术之一，在满足5G对频谱效率的需求的同时，还可以满足低时延、高可靠性、大规模连接等需求。NOMA技术引入了一个新的维度即功率域，将多个用户的信号叠加在相同的时频资源上，接收端接收到信号后采用连续干扰消除(Successive InterferenceCancellation,SIC)技术以减少用户间的干扰，从而实现多址接入。功率分配不仅关系到各用户信号的检测次序，还影响到系统的可靠性和有效性，因此，NOMA系统中的功率分配是近年的研究热点之一。

很多文献研究了单小区上行NOMA系统中的功率分配，其中功率分配的目标有三类：最大化和速率、最大化能量效率及最大公平。最大化能量效率的功率分配以单个用户的功率作为约束条件，以最大化和速率与总功率的比值为目标，求解每个用户的功率。现有的最大化能量效率的功率分配多采用迭代算法，计算复杂度较高。

发明内容

本发明提出了上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，适用于包括1个基站和M个用户的上行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线。

本发明是利用基站根据信道条件以及每个用户的最低单位带宽速率需求计算每个用户所需的最低功率，建立满足用户的最低速率需求且最大化能量效率的功率分配优化问题，求解该优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，然后按照信道强度递减的次序为第二个用户至最后一个用户分配该用户所需的最低功率，并将其余的功率分配给信道强度最高的用户。

综上所述，本发明提出的上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法，适用于包括1个基站和M个用户的上行NOMA系统，且基站和用户都配置单天线，包括如下步骤：

A，用u_m表示第m个用户，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²，p_m表示u_m的发送功率，表示u_m的最大发送功率，R^min表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到p_m的取值满足p_m≥c(c+1)^M-mα_m，其中，c是满足用户最低单位带宽速率需求时对信干噪比(SINR)的最低要求，σ²是用户接收到的噪声的方差，故u_m所需的最低功率为m＝1,2,...,M，M是用户的总数；

B，基站构建最大化能量效率的功率分配优化问题，

其中，m＝1,2,...,M，M是用户的总数，基站将优化问题转化为

约束条件表示用户u₁的功率不能超过该用户的最高发送功率；

C，基站求解步骤B中的优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，用P^*表示；

D，基站根据步骤C得到的用户总功率P^*为每个用户分配功率，令为用户u₁分配功率为用户u_m分配功率m＝2,...,M，M是用户的总数。

进一步，所述步骤C具体包括：

C1，令其中， 用P₀表示P₁和P₂的中间值，即m＝1,2,...,M，M是用户的总数；

C2，令ω(P)＝G₁P-ln(2)[G₁P-G₁δ+χ]log₂[G₁(P-δ)+χ]，计算ω(P₀)，若ω(P₀)＞ε，ε是预先设定的非常小的正数，则令P₁＝P₀且执行步骤C3，若ω(P₀)＜-ε，则令且P₂＝P₀，执行步骤C3，若|ω(P₀)|＜ε，则令P^*＝P₀，不再执行步骤C3；

C3，令重复步骤C2，直至|ω(P₀)|＜ε。

有益效果

与已有的上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方案相比，本发明公开的方法考虑到了每个用户的最低速率需求，减少了计算量。上行系统中的多个簇采用正交频段时，不同簇用户间的功率不存在制约关系，单簇的功率分配方案可直接应用于多簇场景中的每个簇。

附图说明

图1是本发明实施的系统模型；

图2是本发明的流程图。

具体实施方式

下面给出本发明的一种实施例，对本发明做进一步详细的说明。如图1所示，考虑包含1个基站和M个用户的单小区上行NOMA系统，基站和用户都配置单根天线。用u_m表示第m个用户，m＝1,2,…M。所有的用户使用相同的频段，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²。u_m的功率为p_m，是用户u_m最大的发送功率。

用y表示基站的接收信号，y的表达形式为

其中，x_m是u_m的发送信号，n是基站接收到的高斯白噪声，均值为零方差为σ²。与文献“Energy-efficient power allocation for uplink NOMA”相同，基站按信号强度递减的顺序依次检测每个用户的发送信号并消减该信号带来的干扰。

u₁首先检测出x₁，并消除该信号对y造成的干扰，然后再检测x₂，并消除该信号对y造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对y造成的干扰，直至检测出x_M。基站检测x_m时的信干噪比(Signal to Interference and Noise Ratio,SINR)为

假定单个用户的最低单位带宽速率需求为R^min，该速率对应的信干噪比为c，因此，要满足

由此可推出，p_m的取值满足

首先推导满足u_m的最低单位带宽需求的条件下，p_m的取值范围。

令式(4)中的m＝M时，可推出p_M的取值范围满足

p_M≥cα_M (5)

其中，m＝1,2,...,M。令式(4)中的m＝M-1时，可推出p_(M-1)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-2时，可推出p_k(M-2)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-3时，可推出p_k(M-3)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-4时，可推出p_k(M-4)的取值范围满足

采用归纳法可得，p_m的取值满足式(10)

用表示满足u_m的最低单位带宽速率需求时u_m所需的最低功率，的取值为

根据式(2)，u_m的单位带宽速率R_m的表达形式为

系统中M个用户的和速率为

其中，m＝1,2,...,M。

所提方案的目标是：在满足每个用户最低单位带宽速率需求下，通过分配适当的功率，最大化系统的能量效率。功率分配的目标用公式表示为

若直接求解式(14)中的优化问题，则要采取迭代的方法，复杂度极高。为此，先求解所有用户的总功率为某一常数即时最大的能量效率，然后再求解所有用户的总功率变化时最大的能量效率。

时最大化能量效率的优化问题可以表示为

式(15)所示的优化问题等效于最大化由于G₁≥G₂≥…≥G_M，若不考虑约束条件，则p₁＝P且p₂＝p₃＝…＝p_M＝0时，达到最大值。然而，每个用户都有速率需求，因此，当第2个用户至第M个用户刚好满足最低速率需求，并且将其余的功率都分配给第一个用户时，达到最大值。式(15)所示的优化问题的解为

此时的能量效率为

式(14)所示的优化问题可以转化为

约束条件表示用户u₁的功率不能超过该用户的最高发送功率。由约束条件可得

求e(P)关于P的导数可得

令且式(19)可化为

用β(P)表示式(20)等式右边的分子，求β(P)关于P的导数可得

计算可得，时，时，因此，必定存在P^*，使得当P＜P^*时， e(P)单调递增，当P＞P^*时，e(P)单调递减，因此，P＝P^*时，e(P)达到最大值。

无法给出P^*的闭合表达式，可采用二分法找到P^*，具体步骤如下：

步骤一，令用P₀表示P₁和P₂的中间值，即

步骤二，计算若ε是预先设定的非常小的正数，则令P₁＝P₀且执行步骤三，若则令且P₂＝P₀，执行步骤三，若则令P^*＝P₀，不再执行步骤三；

步骤三，令重复步骤二，直至

采用二分法找到P^*后，若则总功率为时，系统的能量效率最大。若则总功率为P^*时，系统的能量效率最大。若则总功率为时，系统的能量效率最大。综上，最大化能量效率的总功率的表达式为

为用户u₁分配功率为用户u_m分配功率

结合本发明的流程图即图2，上行NOMA系统中最大化能量效率的功率分配方法的具体步骤如下：

A，用u_m表示第m个用户，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²，p_m表示u_m的发送功率，表示u_m的最大发送功率，R^min表示单个用户的最低单位带宽速率需求，基站计算得到p_m的取值满足p_m≥c(c+1)^M-mα_m，其中，c是满足用户最低单位带宽速率需求时对信干噪比(SINR)的最低要求，σ²是用户接收到的噪声的方差，故u_m所需的最低功率为m＝1,2,...,M，M是用户的总数；

B，基站构建最大化能量效率的功率分配优化问题，

其中，m＝1,2,...,M，M是用户的总数，基站将优化问题转化为

约束条件表示用户u₁的功率不能超过该用户的最高发送功率；

C，基站求解步骤B中的优化问题，得到能量效率最大时所有用户的总功率，用P^*表示；

D，基站根据步骤C得到的用户总功率P^*为每个用户分配功率，令为用户u₁分配功率为用户u_m分配功率m＝2,...,M，M是用户的总数。

以上实施例仅仅是对本发明的举例说明，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。