一种用于NOMA蜂窝网络时频资源分配中速率要求的分配方法与流程

本发明涉及NOMA蜂窝网络资源分配技术领域，具体涉及一种用于NOMA蜂窝网络时频资源分配中速率要求的分配方法。

背景技术

随着5G时代来临，移动数据流量呈爆炸性增长，导致更多的频谱资源被占用，频谱资源日益匮乏。由于正交多址接入(Orthogonal Multiple Access，OMA)技术在正交资源上复用来自不同用户的信息信号，支持的用户数量受到正交资源数量限制，使得频谱效率低。非正交多址接入(Non-Orthogonal MultipleAccess，NOMA)被认为是第五代无线网络的重要解决方案之一，能有效提升频谱效率，其核心思想是发送端处进行叠加编码，在接收端使用连续干扰消除(Successive Interference Cancellation，SIC)技术分离用户信号，在功率域上实现多址接入，以便多个用户能够共享时频资源。

在考虑NOMA时频资源分配时，对于用户组占用多个子信道通信资源的情况，如果未能合理地分配用户在各子信道上的速率要求时，会造成更多的能耗。对于平均速率要求分配方法(AVR)，未能充分考虑到不同子信道上的差异，速率要求分配不够合理，导致系统能耗增加。对于基于子信道质量的速率要求分配算法(SQBR)，虽然考虑到子信道间信道增益差异，但是速率要求分配不够合理。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种NOMA蜂窝网络时频资源分配中速率要求的分配方法，其考虑了子信道间信道增益差异，对各子信道上的速率要求进行了合理分配，达到节省系统能耗的目的。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种NOMA蜂窝网络时频资源分配中速率要求的分配方法，其包括以下步骤：

步骤1、给定非空用户组Gj，组内每个用户ci在子信道f中的信道增益速率要求用户组Gj所占资源块情况为

步骤2、记ΔR表示速率要求分配的间隔，将用户ci的速率要求划分为Si个速率要求块，为向上取整函数；ΔR不超过

步骤3、将每个用户在已占子信道中的速率要求初始化为ΔR，对于未占子信道中的速率要求设为0，即对于子信道f，如果则否则，

步骤4、计算每个用户ci还未分配的速率块数量为

步骤5、对于用户组Gj占用的每个子信道f，根据分配的速率要求计算出当前用户组的发射总功率

步骤6、对于每个子信道f，如果不属于Gj所占子信道，发射功率增量设为正无穷，即否则，执行步骤7；

步骤7、对于用户组Gj中的每个用户，将该用户在当前子信道f上的临时速率要求设置为

步骤8、对于用户组Gj的每个用户，如果还剩余速率块未分配，将该用户在当前子信道f上的临时速率要求增加ΔR，计算用户组Gj在当前子信道f的总发射功率得到发射功率的增量否则，发射功率增量设为

步骤9、根据找出发射功率增量最小值对应的用户和子信道f^*，将用户在子信道f^*上的速率要求增加ΔR，将更新为将用户的速率块数量减1；

重复步骤6到9，直到用户组Gj中所有用户的速率要求块分配完毕，执行步骤10；

步骤10、输出最终速率要求分配结果每个用户在每个子信道中的发射功率。

采用上述方案后，能够对用户组占用多个子信道时合理分配每个用户在每个子信道上的速率要求，优化发射功率，以节省系统能耗。与最优穷举速率要求分配方法(ES)相比，本发明的性能接近最优ES方法，而且本发明的运行时间远短于ES。与常见平均速率要求分配(AVR)算法和基于子信道质量的速率要求分配(SQBR)相比，节省发射功率的最高比例可分别达到57.7％和61.7％。

附图说明

图1为本发明通信资源划分示意图；

图2为本发明(RRA)与ES方法的性能比较；

图3为本发明(RRA)与AVR方法、SQBR方法在用户组内用户数量不同时的性能比较；

图4为为本发明(RRA)与AVR方法、SQBR方法在不同速率要求下的性能比较。

具体实施方式

本发明揭示了一种用于NOMA蜂窝网络时频资源分配中速率要求的分配方法，其中，NOMA蜂窝网络为由一个基站(Base station，BS)和一组蜂窝用户(Cellular users，CUs)组成的上行蜂窝网络。蜂窝用户集合表示为C＝{ci,1≤i≤|C|}，对蜂窝用户进行分组，利用NOMA技术同组用户复用相同的时频通信资源。考虑到蜂窝用户组至少由两个蜂窝用户组成，故至多可以形成个蜂窝用户组，蜂窝用户组集合表示为考虑到SIC解码技术的复杂性，一个NOMA组中的CUs数不应超过给定的系统参数L。

将通信资源分别在时域和频域两个维度上进行划分。具体而言，在时域，将时间资源划分为多个时间帧，每个时间帧包含T个时隙；在频域，采用正交频分多址(Orthogonal Frequency Division MultipleAccess，OFDMA)技术将总带宽划分为F个频域子信道。考虑频率选择性衰落信道，不同的频域子信道上用户信道增益不同。表示在子信道f中第t个时隙的资源块。具体地通信资源划分如图1所示：

用户分组时，一个用户只能属于一个用户组，同个用户组中用户CU数不能超过给定参数L。资源块RB分配时，一个非空用户组至少占用一个资源块RB进行通信，每个资源块RB至多只能分配给一个用户组。解码时，按照信道增益越大用户越先解码的解码顺序。系统中用户的总能耗Etotal主要包含三个部分：

①当用户处于活跃状态时，功率放大器能耗为

②当用户处于活跃状态时，电路能耗为

③当用户处于空闲时，空闲能耗为

故Etotal可以被计算为：

其中，xi,j和分别标识用户分组和资源分配情况，xi,j＝1表示ci属于组Gj，否则xi,j＝0；表示RBf,t分配给Gj；否则θ为漏极效率，表示用户ci在子信道f中发射功率，sgn(·)为符号函数，表示用户ci的电路功率，表示用户ci的空闲功率。

当给定用户分组和RB分配情况时，式(1)的第二、三部分均为常数，故为了最小化Etotal，我们只需要最小化Etotal第一部分。又因为不同用户组的总发射功率优化是相互独立的，故在满足用户ci的速率要求条件下，最小化用户组Gj的总发射功率问题P1表述为：

min P1:

s.t C1:

其中，用户ci在子信道f上速率计算为W为子信道带宽，n0为高斯白噪声的功率谱密度。

定理：优化问题P1的最优解总是满足

证明：假设是问题P1的最优解，并且在Gj存在一个CU ci，其传输速率满足由于CUci的发射功率集中，至少存在一个正值。记有由于在发射功率集中CUci的传输速率比大，可以将在子信道f0的传输功率减小到一个较小值同时保证CUci的传输速率不低于明显地，通过改变CU ci在子信道f0的传输功率从减小到一个较小值问题P1的目标函数降低。也就是说并不是问题P1的最优解，与假设不符合。证毕。

根据定理，为满足用户ci在子信道f上速率要求可计算为：

特别地，对于用户

对于用户

以此类推，按照信道增益升序，可以依次求出。

为非空用户组Gj中每个用户速率要求分配(RRA)步骤如下：

步骤1、给定非空用户组Gj，组内每个用户ci在子信道f中的信道增益速率要求用户组Gj所占资源块RB情况

步骤2、记ΔR表示速率要求分配的间隔，将用户ci的速率要求划分为Si个速率要求块，其中为向上取整函数。

注意，考虑到对非空组Gj的每个已占用的子信道，非空组Gj中的每个CU至少需要分配一个速率要求块，因此，每个CU的速率要求块数量不应小于非空组Gj已占用的子信道数量，即也就是说，ΔR不能超过

步骤3、将每个用户CU在已占子信道中的速率要求初始化为ΔR，对于未占子信道中的速率要求设为0，即对于子信道f，如果则否则，该步骤主要是为每个用户在每个所占子信道上分配一个速率块。

步骤4、计算每个用户ci还未分配的速率块数量为

步骤5、对于Gj占用的每个子信道f，根据分配的速率要求计算出当前用户组Gj的发射总功率

步骤6、对于每个子信道f，如果不属于Gj所占子信道，发射功率增量设为正无穷，即否则，执行步骤7。该步骤6主要是要遍历每个子信道。

步骤7、对于用户组Gj中的每个用户，将该用户在当前子信道f上的临时速率要求设置为

步骤8、对于用户组Gj的每个用户，如果还剩余速率块未分配，将该用户在当前子信道f上的临时速率要求增加ΔR，计算用户组Gj在当前子信道f的总发射功率得到发射功率的增量否则，发射功率增量设为

步骤9、根据找出发射功率增量最小值对应的CU和子信道f^*，将CU在子信道f^*上的速率要求增加ΔR，将更新为将CU的速率块数量减1。

重复步骤6到9，直到用户组Gj中所有用户的速率要求块分配完毕，执行步骤10。

步骤10、输出最终速率要求分配结果每个用户在每个子信道中的发射功率。

本发明提供的速率要求分配方法能够对用户组占用多个子信道时合理分配每个用户在每个子信道上的速率要求，优化发射功率，以节省系统能耗。

为了评估本发明性能，进行以下仿真，仿真参数设置为：小区半径设为500m，CUci到BS的信道增益表示为等于其中di和α分别表示子信道f中CUci到BS的传播因子、CUci与BS之间距离和路径损耗指数。α，系统带宽，噪声功率谱密度，总子信道数，总时隙数分别设置为：[0.01,1],4，1MHz，-174dBm/Hz，10和12。功率放大器的漏极效率θ、每个CU的最大发射功率、电路功耗和空闲功耗分别设置为0.2、23dBm、106.4mW和25mW。仿真运行时间是在CPU型号为i5，CPU主频为3.0GHz，内存容量RAM为8GB的台式计算机上评估的。

首先将本发明与最优穷举速率要求分配方法(ES)进行比较，ES中搜索所有可能的速率要求分配情况并选择发射功率最小的情况。为了公平起见，ES方法中的搜索步长与本发明中的速率要求间隔ΔR相同。此外，考虑到ES方法的计算复杂度限制，组中的CU数量设置为3，ΔR设置为10knats/s，随机生成30种情况。在每种情况下，用户的位置、每个用户的速率要求、占用的子信道以及用户组占用的时隙都是随机生成的，占用的子信道数在[3，5]范围内，用户速率要求介于[100knats/s,300knats/s]且可以被ΔR整除。从图2中可以看出，本发明的性能接近最优ES方法，而且本发明的运行时间远短于穷举方法。

进一步考虑了当用户组中具有更多用户的情况时，将本发明性能与以下方法进行比较：1)平均速率要求分配(AVR)，其中每个CU的总速率要求平均分配给被占用的子信道；2)基于子信道质量的速率要求分配(SQBR)，其中每个CU的速率要求根据它们的信道质量分配给被占用的子信道，即在SQBR算法中，有

图3为当每个CU的速率要求等于300knats/s时，用户组中CU数量变化下的比较结果；而图4为当考虑组中的CU数量等于9时，速率要求变化下的比较结果。在图3和图4中的每个点，采用与图2相同的方法随机生成30个RB分配情况并计算平均值。ΔR设置为1knats/s。从图3和图4中可以看出，与AVR和SQBR方法相比，当组中用户数比较多或每个用户的速率要求比较大时，本发明可以节省更多的发射功率，最高节省比例可分别达到57.7％和61.7％。原因如下：当组中用户数比较多或每个用户的速率要求比较大时，通信资源变得紧张，因此需要更合理地将速率要求分配到所占用的不同子信道中。由于AVR和SQBR方法不能及时合理调整速率要求分配，当通信网络中流量负载变重时，它们的性能会迅速恶化。

每个非空用户组可以得到在当前分组和通信资源分配下，使得系统能耗最小的速率要求分配方案。通过仿真证明，与最优穷举速率要求分配方法(ES)相比，本发明的性能接近最优ES方法，而且本发明的运行时间远短于ES。与常见平均速率要求分配(AVR)算法和基于子信道质量的速率要求分配(SQBR)相比，节省发射功率的最高比例可分别达到57.7％和61.7％。

以上所述，仅是本发明实施例而已，并非对本发明的技术范围作任何限制，故凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何细微修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。