基於最大容量的SCMA系統三級功率分配方法與流程

2023-08-04 05:52:46

本發明涉及一種scma系統的功率分配方法，屬於通信
技術領域：
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背景技術：
：稀疏碼多址接入(scma)是一種新型的非正交多址接入方式，是針對於高頻譜利用效率而提出來的一種高速率傳輸技術，該空口技術目前已被列為5g移動通信候選標準之一，相比於傳統的正交多址接入技術，它具有容量高時延小傳輸速率快等優點，抗多徑能力強，同時也克服了cdma遠近效應的不足。雖然scma技術在頻譜效率有了很大的提升，但由於星座點更為密集，從而造成了一定程度上的誤碼率的下降。另外，在系統功率分配方面，目前對於scma的研究尚未完善，現有文獻中主要採用的還是平均功率分配算法，該算法是在不考慮信道衰落情況下進行分配的，只是將總功率平均分配給各個用戶，雖然實現簡單，但系統吞吐量性能難以達到最優，而且系統能量利用率較低。技術實現要素：本發明的目的是為了解決現有平均分配功率的方法使系統吞吐量性能難以達到最優，且系統能量利用率較低的問題，本發明提供一種基於最大容量的scma系統三級功率分配方法。本發明的一種基於最大容量的scma系統三級功率分配方法，所述方法包括如下步驟：步驟一：進行單用戶載波間功率分配，每個用戶佔用多個子載波，分配時需滿足同一用戶佔用的子載波上的容量保持一致；步驟二：建立用戶組內功率分配的優化模型，對該優化模型進行迭代，獲取最優分配功率，利用該最優分配功率，進行組內用戶間功率分配；步驟三：根據步驟二獲取的最優分配功率及其對應的容量，擬合出二次函數，獲取二次函數的參數值；步驟四：根據獲取的二次函數的參數值，建立組間容量與分配功率的優化模型，獲取各組的最優分配功率，使得容量最大，根據各組的最優分配功率進行用戶組間功率分配。優選的是，所述步驟一中，進行單用戶載波間功率分配時，為了滿足同一用戶佔用的子載波上的容量保持一致，分配功率因子αn應當滿足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝…＝αnps,rhs,r,n其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶佔用的子載波的數量。優選的是，所述步驟二包括如下步驟：步驟二一：建立用戶組內功率分配的優化模型，設定目標函數與約束條件，選取拉格朗日乘子初值，設置迭代次數l＝1和最大迭代次數l；所述用戶組內功率分配的優化模型為：r表示組內用戶的數量；wr表示用戶r的加權因子；表示用戶r的噪聲方差；c1～c3分別表示三個約束條件；rreq表示最小數據需求速率，pmax表示該用戶組分配的最大傳輸功率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶佔用的子載波的數量；步驟二二：利用凸優化理論對步驟一的用戶組內功率分配的優化模型進行求解，獲取最優分配功率表達式：λr和μr分別表示用戶r中的約束條件c1的拉格朗日乘子和約束條件c2的拉格朗日乘子；[x]+＝max(0,x)；步驟二三：根據當前的拉格朗日乘子和步驟二二中的最優分配功率表達式計算用戶的分配功率值，並更新拉格朗日乘子：其中，rr(l)表示用戶r在第l次迭代時的數據速率，λr(l)用戶r在第l次迭代時約束條件c1的拉格朗日乘子，μr(l)表示用戶r在第l次迭代時約束條件c2的拉格朗日乘子，ps,r(l)表示用戶r在第l次迭代時所分配得到的功率，βr為迭代步長；步驟二四：當更新後的拉格朗日乘子收斂或者當前迭代次數達到l，則利用此時的分配功率值進行組內用戶間功率分配，否則l＝l+1，轉入步驟二三。優選的是，所述步驟四中，所述組間容量與分配功率的優化模型為：s表示scma系統中用戶組的數量，as、bs和cs分別表示步驟三中擬合出二次函數的參數值，ps表示用戶組s的最優分配功率；ptot表示基站最大傳輸功率；表示用戶組s中用戶r的噪聲方差；rreq表示最小數據需求速率；αn表示分配功率因子，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶佔用的子載波的數量。上述技術特徵可以各種適合的方式組合或由等效的技術特徵來替代，只要能夠達到本發明的目的。本發明的有益效果在於，本發明針對於單小區多用戶的scma系統下行鏈路，在滿足所有用戶的最小速率要求下，以最大化系統總容量為目標，建立下行鏈路功率分配問題的最優化數學模型，並利用凸優化理論和曲線擬合方法對該優化問題進行分析求解，根據求解出的最優分配功率依次進行單用戶、組內和組間的用戶間的功率分配，實驗效果證明，相比於各用戶平均分配功率的方式，本發明所提的容量最大化功率分配算法在總容量上有明顯提高，此外，還可以看到整個scma用戶組的總容量隨著最優分配功率的增大而相應得到提升，且系統總容量隨基站發射總功率的增加而增大，本發明使系統吞吐量性能達到最優，且提高了系統能量利用率。附圖說明圖1為本發明的流程示意圖。圖2為執行步驟二後組內用戶間功率分配收斂特性曲線示意圖。圖3為執行步驟二後組內用戶間功率分配容量性能效果圖。圖4為執行步驟三後二次擬合後的曲線示意圖。圖5為執行步驟四周組間功率分配後的吞吐量性能效果圖。具體實施方式下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動的前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。需要說明的是，在不衝突的情況下，本發明中的實施例及實施例中的特徵可以相互組合。本實施方式針對於蜂窩網絡中一個單小區多用戶的scma下行鏈路進行分析，該小區有一個基站和s個用戶組，每個用戶組中包含r個用戶，共佔用了n個相互正交的子載波，本實施方式中採用的過載係數為1.5，故r＝1.5n，任何一個用戶均佔用一個scma層，同時使用一套碼本。用戶間則相互共享層上的時頻資源，從而實現多用戶多址接入的目的。而碼本的大小則是由碼字長度和非零元素的個數共同來決定的。在scma系統的解碼中，最大似然解碼是最優的解碼算法，但考慮到接收機的複雜度以及scma碼字的稀疏特性，接收機可以通過mpa算法來實現多用戶檢測的功能，從而直接降低scma接收機的解碼複雜度。理想情況下，可以認為不同scma層的碼字間是不存在幹擾的，因此分配到不同層的碼字可以視為是正交的。即在理想的mpa接收和理想的同步情況下，scma系統中存在的的多用戶幹擾可以完全忽略。scma用戶組中功率分配向量可以表示為p＝(ps,r)s×r，其中用戶組s中的用戶r分配得到的功率為ps,r。因此得到基站發射的總功率為：記用戶組s中的用戶r在該組中的子載波n上所分配的功率比例因子為αn，取值滿足0<αn<1，且此時該用戶的信噪比可記作：其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，表示子載波n上用戶r的噪聲功率，噪聲為加性高斯白噪聲。根據香農公式，用戶k可以達到的理論數據速率rs,r為：rs,r＝log2(1+snrs,r)(3)本實施方式結合scma技術自身特性，針對於scma系統提出了三級功率分配方案，分別是：單用戶載波間功率分配、組內用戶間功率分配和組間功率分配。下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步說明，但不作為本發明的限定。結合圖1說明本實施方式，本實施方式所述的基於最大容量的scma系統三級功率分配方法，包括如下步驟：步驟一、單用戶載波間功率分配：每個用戶佔用多個子載波，分配時需滿足同一用戶佔用的子載波上的容量保持一致；步驟二、組內用戶間功率分配：建立用戶組內功率分配的優化模型，對該優化模型進行迭代，獲取最優分配功率，利用該最優分配功率，進行組內用戶間功率分配；步驟三：根據步驟二獲取的最優分配功率及其對應的容量，擬合出二次函數，獲取二次函數的參數值；步驟四、用戶組間功率分配：根據獲取的二次函數的參數值，建立組間容量與分配功率的優化模型，獲取各組的最優分配功率，使得容量最大，根據各組的最優分配功率進行用戶組間功率分配。優選實施例中，基於載波間容量均等化準則，進行單用戶載波間功率分配：在scma系統中，每個用戶佔用多個子載波，而每個子載波上承載多個用戶的信息，由於每個用戶在多個子載波上傳輸的信息是利用的分集的思想，即被同一用戶佔用的子載波上傳輸的是相同的信息，因此該用戶的傳輸速率或容量取決於其佔用的子載波中速率最低或容量最小的子載波。因此，從最大化系統容量和節省系統總功率的角度考慮，在單用戶載波間功率分配的準則應使得同一用戶佔用的子載波上容量保持一致，因此分配的功率因子αn應當滿足：α1ps,rhs,r,1＝α2ps,rhs,r,2＝…＝αnps,rhs,r,n(4)其中，hs,r,n表示基站與用戶組s中的用戶r之間在子載波n上的信道增益，ps,r為用戶組s中的用戶r所分配得到的功率n＝1,…,n，n為所述用戶佔用的子載波的數量。優選實施例中，組內用戶間功率分配：本實施方式每個scma系統中的用戶組中有6個用戶，佔用4個子載波。在組內用戶間功率分配時，選取任一scma系統的用戶組進行分析，故該部分省去部分變量的下角標s。下面考慮在用戶qos需求和最大傳輸功率等約束條件限制下，建立用戶組內功率分配的優化模型如下：其中wr為用戶r的加權因子，rreq為最小業務需求速率，pmax為該用戶組分配的最大傳輸功率，表示用戶r的噪聲方差。以上目標函數的物理意義：在固定碼本的前提下，最大化該用戶組中所有用戶的容量的算術和，並且滿足如下3個限制條件，包括：約束條件c1要求組內每個用戶的傳輸速率滿足業務需求的最小保證速率；約束條件c2是指用戶組所分配功率為pmax，即組內用戶的分配功率和受限；約束條件c3要求用戶分配的功率具有非負性。已經證明該優化問題是一個凸優化問題，可以藉助對偶分解的方法來對其最優解進行求解。該凸問題的拉格朗日函數可寫為：其中λ＝(λ1,λ2,…,λr)和μ＝(μ1,μ2,…,μr)是設定的拉格朗日乘子。λr和μr分別表示用戶r中的約束條件c1的拉格朗日乘子和約束條件c2的拉格朗日乘子；該問題的對偶問題可以表示為:利用kkt條件，對式(6)求取偏導，並使其等於0，即：求解式(8)可以計算出最優功率為其中[x]+＝max(0,x)。而對於拉格朗日乘子，可以根據次梯度算法，採用下式進行更新。其中，rr(l)表示用戶r在第l次迭代時的數據速率，λr(l)用戶r在第l次迭代時約束條件c1的拉格朗日乘子，μr(l)表示用戶r在第l次迭代時約束條件c2的拉格朗日乘子，ps,r(l)表示用戶r在第l次迭代時所分配得到的功率，βr為迭代步長。通過梯度算法，經過一定次數的迭代，拉格朗日乘子和最有分配功率值達到收斂之後，便可以得到公式(5)的最優解。步驟二具體包括如下步驟：步驟二一：根據上述建立的用戶組內功率分配的優化模型及設定目標函數與約束條件，選取拉格朗日乘子初值，設置迭代次數l＝1和最大迭代次數l；步驟二二：根據當前的拉格朗日乘子和公式(9)計算用戶的分配功率值，並公式(10)和公式(11)更新拉格朗日乘子；步驟二三：當更新後的拉格朗日乘子收斂或者當前迭代次數達到l，則利用此時的分配功率值進行組內用戶間功率分配，否則l＝l+1，轉入步驟二二。優選實施例中，步驟四中，根據步驟二獲取的最優分配功率及其對應的容量，擬合出二次函數，獲取二次函數的參數值；由於組內用戶功率分配的優化解是通過迭代求解得到的，因此沒有辦法通過解析的形式得到系統容量與最優分配功率值的函數表達式，但通過仿真可以得到容量與最優分配功率的對應數值，然後採用曲線擬合的手段近似計算出對應關係式，通過對擬合逼近度與計算複雜度進行折中考慮，本實施方式選取二次函數y＝ax2+bx+c作為擬合函數，此時系統總容量可寫為：as、bs和cs分別表示步驟三中擬合出二次函數的參數值，s＝1,…,s，ps表示用戶組s的最優分配功率；考慮在用戶qos需求和最大傳輸功率等約束條件限制下，可以建立優化模型如下：其中as、bs和cs表示根據組內用戶功率分配方案擬合出的二次函數的參數值，針對於不同的scma用戶組可以擬合出相應地容量與功率之間的函數表達式，rreq是滿足用戶組s中用戶r的最小數據需求速率，ptot指基站最大傳輸功率。以上目標函數的物理意義：在固定碼本的前提下，最大化網絡中所有用戶的容量的算術和，並且滿足以下3個限制條件，即：約束c1表示基站發射總功率受限；約束c2保證每個用戶的數據速率達到其最小速率需求；約束c3表示用戶分配的功率具有非負性。由於該模型為經典凸問題模型，可以直接利用matlab工具箱進行求解。根據獲取的二次函數的參數值，建立組間容量與分配功率的優化模型，獲取各組的最優分配功率，使得容量最大，根據各組的最優分配功率進行用戶組間功率分配。藉助於matlab軟體對本實施方式所提出的最大化系統容量的scma功率分配方法進行仿真以評估其性能。仿真參數如表1所示：表1仿真參數設置表仿真參數設置值子載波個數12scma分組數3碼本數目6過載係數1.5最小速率64kbps子載波帶寬30khz小區半徑500基站發射功率46路損模型pllos＝103.4+24.2lg(r)陰影衰落標準差10db迭代次數2000加權因子1本實施方式中，採用如上仿真參數，圖2是執行步驟一和步驟二的組內用戶間功率分配得到的收斂特性曲線，該仿真考慮的是單一scma用戶組，其中包含6個用戶，共佔用4個子載波，其中基站最大傳輸功率為27w，滿足各用戶qos要求的最小速率為64kbps。從圖2中可看出，在迭代的初期出現明顯抖動，但本實施方式基本在迭代500次後達到收斂，從而根據收斂的功率值求得組內各個用戶分配的功率。圖3給出了本實施方式容量最大化分配方法的容量與用戶組分配功率間的對應關係變化曲線，為充分表現本實施方式的優越性，在圖3中也畫出了採用平均功率分配方法時的關係曲線，各用戶最小業務需求速率仍然為64kbps。從圖3中仿真結果可以得出結論，相比於各用戶平均分配功率的方式，本實施方式的容量最大化功率分配方法在總容量上有明顯提高，此外，還可以看到整個scma用戶組的總容量隨著用戶組分配功率的增大而相應得到提升。在完成組內用戶間功率分配後，要對所有用戶組中容量與最優分配功率關係曲線進行擬合，這裡選用二次函數進行擬合，圖4為擬合函數的曲線與原數據的對比圖。由於橫坐標功率在實際系統中是有取值範圍的，一般在5w-25w之間，從圖中可以看出在功率5w-25w的範圍內曲線擬合良好，因此在後續的研究中完全可以使用二次擬合的函數來代替原數據。圖5為本實施方式執行步驟四後的組間功率分配的吞吐量性能仿真曲線，同時也仿真了各個用戶組採用功率平均分配方式的情況以進行對比，為公平起見，兩種方案中各組內用戶間的功率分配方案均採用了本實施方式的組內用戶間容量最大化方法。由仿真圖5可以看出，本實施方式所提出的組間功率分配方案較之於平均功率分配方法在系統容量上有了一定提升，且系統總容量隨基站發射總功率的增加而增大。雖然在本文中參照了特定的實施方式來描述本發明，但是應該理解的是，這些實施例僅僅是本發明的原理和應用的示例。因此應該理解的是，可以對示例性的實施例進行許多修改，並且可以設計出其他的布置，只要不偏離所附權利要求所限定的本發明的精神和範圍。應該理解的是，可以通過不同於原始權利要求所描述的方式來結合不同的從屬權利要求和本文中所述的特徵。還可以理解的是，結合單獨實施例所描述的特徵可以使用在其他所述實施例中。當前第1頁12