本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于歷史仿真或?qū)崪y(cè)功率系數(shù)值的圖樣分割多址接入(patterndivisionmultipleaccess，簡(jiǎn)稱pdma)系統(tǒng)功率分配方法。

技術(shù)背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算的飛速發(fā)展，第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)需要滿足更高容量和更大用戶連接數(shù)的新需求。然而，傳統(tǒng)的正交多址接入技術(shù)(orthogonalmultipleaccess，簡(jiǎn)稱oma)很難滿足這些需求，因此saito等人提出了功率域非正交多址接入技術(shù)(non-orthogonalmultipleaccess，簡(jiǎn)稱noma)。noma的基本原理是在發(fā)送端先對(duì)各個(gè)用戶信號(hào)進(jìn)行獨(dú)立編碼調(diào)制，再對(duì)各個(gè)用戶信號(hào)分配不同的功率后進(jìn)行線性疊加，疊加后的信號(hào)還可以采用正交頻分復(fù)用(orthogonalfrequencydivisionmultiplexing，簡(jiǎn)稱ofdm)技術(shù)來進(jìn)行傳輸；接收端通過串行干擾消除(successiveinterferencecancellation，簡(jiǎn)稱sic)算法完成用戶信號(hào)的檢測(cè)。noma是一種基于功率域復(fù)用的多址技術(shù)，各復(fù)用用戶通過各自不同信號(hào)功率進(jìn)行區(qū)分，從而將時(shí)域、頻域等資源提供給多個(gè)用戶共享，以提高系統(tǒng)的頻譜效率和系統(tǒng)容量。經(jīng)過幾年的發(fā)展，工業(yè)界和學(xué)術(shù)界提出了多種noma技術(shù)，如交織分割多址接入(interleavedivisionmultipleaccess，簡(jiǎn)稱idma)、比特分割復(fù)用(bitdivisionmultiplexingaccess，簡(jiǎn)稱bdma)、稀疏碼多址接入(sparsecodemultipleaccess，簡(jiǎn)稱scma)、多用戶共享接入(multi-usersharingaccess，簡(jiǎn)稱musa)和圖樣分割多址接入(patterndivisionmultipleaccess，簡(jiǎn)稱pdma)等。

在pdma發(fā)送端設(shè)計(jì)合理的圖樣矩陣來實(shí)現(xiàn)最大化分集增益和最小化多址用戶接入數(shù)。功率域圖樣矩陣，主要考慮功率分配因子、相位旋轉(zhuǎn)因子因素。在接收端，采用串行干擾消除技術(shù)實(shí)現(xiàn)多用戶的聯(lián)合檢測(cè)。為了進(jìn)一步提高串行干擾消除算法性能，功率域圖樣矩陣往往采用稀疏矩陣形式?？傊?，pdma通過發(fā)送端圖樣矩陣設(shè)計(jì)和接收端sic算法，提高吞吐量和頻譜利用率。

傳統(tǒng)pdma系統(tǒng)功率分配方式是多個(gè)用戶以圖樣矩陣形式復(fù)用多個(gè)非連續(xù)資源塊。當(dāng)pdma系統(tǒng)的圖樣矩陣取理論值時(shí)，將用戶的空閑資源采用其他用戶占用資源復(fù)用后，可構(gòu)成更少復(fù)用用戶復(fù)用連續(xù)資源塊的矩陣形式。也就是說，針對(duì)傳統(tǒng)pdma系統(tǒng)的圖樣矩陣的多用戶功率分配過程，可以簡(jiǎn)化為多用戶復(fù)用單個(gè)連續(xù)資源塊的功率分配過程，然后再將連續(xù)資源塊映射為傳統(tǒng)pdma系統(tǒng)的圖樣矩陣即可。全搜索功率分配考慮了所有可能的用戶組合和功率分配組合，能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的系統(tǒng)吞吐量性能，但是復(fù)雜度極高，固定功率分配和部分功率分配復(fù)雜度可忽略不計(jì)，但是系統(tǒng)總吞吐量性能損失很大，因此它們很難應(yīng)用于實(shí)際系統(tǒng)中。為滿足pdma系統(tǒng)功率分配低復(fù)雜度、高吞吐量需求，給出一種基于歷史仿真或?qū)崪y(cè)功率系數(shù)值的功率分配方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決以上問題，本發(fā)明實(shí)施例提供一種基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法。

本發(fā)明提供一種基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法，給資源塊上各復(fù)用用戶預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)，采用復(fù)用用戶預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)加上功率等級(jí)粒度與調(diào)整步長的乘積獲得一個(gè)復(fù)用用戶的優(yōu)化功率分配系數(shù)，根據(jù)各復(fù)用用戶的優(yōu)化功率分配系數(shù)構(gòu)建單個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列，根據(jù)各個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列構(gòu)建多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣。

優(yōu)選地，進(jìn)一步包括將多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣變換為多資源塊復(fù)用用戶功率離散圖樣矩陣。

優(yōu)選地，所述將多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣變換為多資源塊復(fù)用用戶功率離散圖樣矩陣，包括：對(duì)每個(gè)非連續(xù)資源塊中未分配給用戶資源塊的功率分配值采用零進(jìn)行填充，對(duì)用戶已分配的連續(xù)功率分配值直接根據(jù)非連續(xù)功率分配值的位置直接進(jìn)行映射。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，基于以上所述的基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法及裝置，充分利用終端經(jīng)歷的無線信道信息，結(jié)合大量的仿真或?qū)崪y(cè)功率分配系數(shù)值，對(duì)復(fù)用用戶功率分配進(jìn)行優(yōu)化，在執(zhí)行功率分配系數(shù)值的映射，從而提高復(fù)用用戶功率分配靈活性與公平性。本發(fā)明不僅極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度，而且提升了系統(tǒng)的吞吐量。

附圖說明

圖1為pdma系統(tǒng)下行鏈路示例模型；

圖2為本發(fā)明基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法第一優(yōu)選實(shí)施例流程示意圖；

圖3為本發(fā)明基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法第二優(yōu)選實(shí)施例流程示意圖；

圖4本發(fā)明所述優(yōu)化功率分配系數(shù)值示意圖；

圖5為本發(fā)明連續(xù)pdma功率分配系數(shù)映射為與非連續(xù)pdma功率分配系數(shù)實(shí)例示意圖；

圖6本專利與現(xiàn)有技術(shù)吞吐量性能對(duì)比仿真結(jié)果示意圖。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說明。

圖1為pdma系統(tǒng)下行鏈路示例模型，假設(shè)小區(qū)中總的用戶數(shù)為kαfp，基站總發(fā)射功率為pbs，可用資源塊數(shù)為nsb，第b個(gè)資源塊上疊加的用戶數(shù)為n＝1，2，...，nmax，其中nmax為資源塊內(nèi)能夠復(fù)用的最多用戶數(shù)，基站和接收端天線數(shù)都為1。

在發(fā)射端，資源塊b上的疊加信號(hào)sb可表示為:

其中，xk表示在資源塊b上第k個(gè)用戶的發(fā)送符號(hào)，pk代表第k個(gè)用戶在資源塊b上分配的功率，pk＝βk×pbs/nsb，βk定義為為資源塊b上第k個(gè)用戶的功率分配系數(shù)值。

在接收端，用戶uen在資源塊b上的接收信號(hào)為：

其中，hn和nn分別表示資源塊b上基站到接收端uen的信道增益和均值為零，方差為的高斯白噪聲，in表示小區(qū)間干擾。

為了便于分析，公式(2)可以進(jìn)一步改寫為：

從公式(3)可以得知，接收端除了包含目標(biāo)信號(hào)外，還包含其他用戶的干擾信號(hào)。ue接收端采用串行干擾消除技術(shù)進(jìn)行檢測(cè)。具有高信干噪比值(signaltointerferenceplusnoiseratio，sinr)的用戶先解調(diào)出自己的信號(hào)，然后具有低信干噪比值的用戶采用串行干擾消除技術(shù)使目標(biāo)信號(hào)正確解調(diào)。不同ue接收端的檢測(cè)過程有所不同，對(duì)所有ue接收端而言，正常解碼順序?yàn)樾鸥稍氡冉敌?。假設(shè)在第b個(gè)資源塊上功率域疊加用戶根據(jù)信干噪比值從大到小排序?yàn)椋?/p>

sinr1，b>sinr2，b…>sinrn，b>…>sinrn，b(4)

未經(jīng)接收端處理的信干噪比可表示如下：

sinrn＝|hn|²pbs/[nsb(pi+pn)](5)

其中pi，pn分別表示小區(qū)間干擾信號(hào)的功率和用戶uen的噪聲功率。

接收端進(jìn)行sic檢測(cè)處理時(shí)，依次消除疊加用戶uen，uen-1，…，uen+1信號(hào)的影響，將用戶ue1，ue2，…，uen-1信號(hào)都當(dāng)成干擾處理。

經(jīng)過sic檢測(cè)處理后，用戶uen在第b個(gè)子帶上的信干噪比可表示為：

將(6)式帶入香農(nóng)公式，可得uen的吞吐量公式為：

資源塊b上所有復(fù)用用戶的總吞吐量可表示為：

下面結(jié)合圖2，詳細(xì)說明本發(fā)明基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法，給資源塊上各復(fù)用用戶預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)，采用復(fù)用用戶預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)加上功率等級(jí)粒度與調(diào)整步長的乘積獲得一個(gè)復(fù)用用戶的優(yōu)化功率分配系數(shù)，根據(jù)各復(fù)用用戶的優(yōu)化功率分配系數(shù)構(gòu)建單個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列，根據(jù)各個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列構(gòu)建多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣。

pdma系統(tǒng)圖樣矩陣設(shè)計(jì)過程，需要綜合考慮過載因子、分集度和檢測(cè)復(fù)雜度等因素，圖樣矩陣每一行中1的個(gè)數(shù)即為單個(gè)資源塊上復(fù)用的用戶數(shù)，當(dāng)完成圖樣矩陣的設(shè)計(jì)時(shí)，即完成復(fù)用用戶數(shù)n的分配；

本發(fā)明針對(duì)單個(gè)資源塊上的復(fù)用用戶的功率分配，需要完成圖樣矩陣的設(shè)計(jì)，使功率分配的復(fù)雜度低，同時(shí)能保證系統(tǒng)優(yōu)良的吞吐量性能。也即是說，多個(gè)資源塊上的功率分配通過單個(gè)資源塊上功率分配來進(jìn)行。

本發(fā)明單個(gè)資源塊上的復(fù)用用戶的功率分配采用以下方式進(jìn)行：

首先，預(yù)設(shè)一個(gè)資源塊上復(fù)用用戶的功率分配系數(shù)；

典型地，各個(gè)資源塊可以根據(jù)典型無線信道環(huán)境下的大量仿真經(jīng)驗(yàn)值或?qū)崪y(cè)值預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)；

優(yōu)選地，所述預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)可以是根據(jù)典型無線信道特征經(jīng)過大量仿真后獲得的多種仿真信道下最優(yōu)值的折中值；每種仿真信道都進(jìn)行仿真，獲得該仿真信道下的最優(yōu)值，然后取平均獲得折中值。

優(yōu)選地，預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)為根據(jù)移動(dòng)終端處于相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)時(shí)的歷史功率分配系數(shù)。

現(xiàn)有技術(shù)通過固定功率分配系統(tǒng)獲得功率分配，但是固定功率分配系統(tǒng)的方式不能保證系統(tǒng)優(yōu)良的吞吐量，而本發(fā)明通過優(yōu)化求解功率分配系數(shù)值，然后采用優(yōu)化的功率分配系數(shù)值構(gòu)建功率圖樣矩陣，從而提高接收端的檢測(cè)可靠性，同時(shí)能夠保證系統(tǒng)優(yōu)良的吞吐量性能。

作為本發(fā)明優(yōu)選方式，對(duì)資源塊上復(fù)用用戶的功率分配系數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，如圖3所示，過程如下：

根據(jù)仿真經(jīng)驗(yàn)值或?qū)崪y(cè)經(jīng)驗(yàn)值初始化復(fù)用用戶的預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)值βn(n＝1,2,…,n)。

復(fù)用用戶的預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)值滿足歸一化約束條件，即：

β1+β2+…+βn＝1(9)

采用復(fù)用用戶預(yù)設(shè)功率分配系數(shù)加上功率等級(jí)粒度與調(diào)整步長的乘積獲得一個(gè)復(fù)用用戶的優(yōu)化功率分配系數(shù)βn'，即：

βn'＝βn+lδ·δn

其中，lδ表示調(diào)整步長，δn表示功率等級(jí)粒度

對(duì)于調(diào)整步長和功率等級(jí)粒度的獲得，本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)計(jì)算的方式；

首先，將一個(gè)資源塊上復(fù)用用戶按信干噪比降序排列。

然后，在某復(fù)用用戶的不同功率系數(shù)搜索范圍dn內(nèi)，分別計(jì)算當(dāng)前用戶吞吐量rnl與當(dāng)前用戶之后的所有用戶的吞吐量rl的和值(rnl+rl)，當(dāng)和值取得最大值時(shí)，返回此時(shí)的功率系數(shù)搜索范圍，確定調(diào)整步長和功率等級(jí)粒度，

下面描述如何通過功率系數(shù)搜索范圍確定調(diào)整步長和功率等級(jí)粒度，如圖4所示。

資源塊b上復(fù)用用戶按照sinr降序排列，接收端sic處理按照sinr降序進(jìn)行，對(duì)于usern+1的功率分配系數(shù)應(yīng)該不小于usern的功率分配系數(shù)，即功率分配系數(shù)β滿足：

根據(jù)功率分配系數(shù)β的約束條件，靈活設(shè)置調(diào)整步長l和功率等級(jí)粒度δn，使之滿足：

在基于歷史信息的功率分配方法中，假設(shè)初始化功率分配系數(shù)值已經(jīng)接近于最優(yōu)功率分配系數(shù)值，且功率系數(shù)搜索范圍dn滿足：

βn-ld·δn≤dn≤βn+lu·δn(10)

其中，ld和lu分別代表功率系數(shù)搜索范圍dn調(diào)整步長下調(diào)整值和上調(diào)整值。

功率等級(jí)粒度δn的選取，對(duì)于不同用戶可以劃分不同的功率分配范圍(即不同的功率分配下調(diào)整值ld和上調(diào)整值lu)，在不同的范圍內(nèi)可以確定不同的δn值，以此實(shí)現(xiàn)快速靈活的功率分配搜索。

在某復(fù)用用戶的不同功率系數(shù)搜索范圍dn內(nèi)，以功率等級(jí)δn遍歷所有的功率分配值，對(duì)應(yīng)的吞吐量(用戶n的吞吐量)計(jì)算公式為：

其中，βn為usern的功率分配系數(shù)值，l為功率搜索范圍的調(diào)整步長，δn為功率等級(jí)粒度，pbs為基站總發(fā)射功率，hn為基站到用戶n的信道響應(yīng)系數(shù)，nsb為資源總塊數(shù)，in為小區(qū)間干擾，nn為高斯白噪聲。

進(jìn)一步，考慮到當(dāng)前用戶n的功率分配會(huì)影響到用戶n+1至用戶n的吞吐量性能，則后面用戶的吞吐量(用戶n之后的用戶的吞吐量)公式為：

其中，βk、βn、βm分別為用戶k、用戶n、用戶m的功率分配系數(shù)值，l為功率搜索范圍的調(diào)整步長，δn為用戶n功率等級(jí)粒度，pbs為基站總發(fā)射功率，hm為基站到用戶m的信道響應(yīng)系數(shù)，nsb為資源總塊數(shù)，im為小區(qū)間干擾，nm為高斯白噪聲。

遞增n，重復(fù)上述過程，至到n>n，獲得單個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列{β1'，β2',…,β'n}。

使用相同的功率分配方法可得到各個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列，根據(jù)各個(gè)資源塊上的功率分配系數(shù)值序列構(gòu)建多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣gp：

為使接收端圖樣檢測(cè)更可靠，本發(fā)明引入具有分集度和稀疏性的離散圖樣矩陣，以增加接收端的抗干擾能力。

作為較優(yōu)方式，將多資源塊復(fù)用用戶功率圖樣矩陣變換為多資源塊復(fù)用用戶功率離散圖樣矩陣，如圖3所示。

公式(14)所得是pdma系統(tǒng)連續(xù)資源塊上復(fù)用用戶功率值矩陣gp,本發(fā)明將其映射為多資源塊復(fù)用用戶功率離散圖樣矩陣g'p。依次對(duì)每個(gè)非連續(xù)資源塊中未分配給用戶資源塊的功率分配值采用零進(jìn)行填充，對(duì)用戶已分配的連續(xù)功率分配值直接根據(jù)非連續(xù)功率分配值的位置直接進(jìn)行映射即可。

下面對(duì)4×4的連續(xù)圖樣矩陣映射為4×7非連續(xù)圖樣矩陣映射過程，如圖5所示。第1行第1-4功率分配值依次映射為第1、2、3、5功率分配值，第2行第1-4功率分配值依次映射為第1、2、4、6功率分配值，第3行第1-4功率分配值依次映射為第1、3、4、7功率分配值。

本發(fā)明基于歷史信息的pdma系統(tǒng)功率分配方法，該方法不但極大縮小了功率分配范圍，而且大幅降低了計(jì)算復(fù)雜度，還能使用戶總吞吐量達(dá)到局部最優(yōu)。

本專利所述功率分配方法基于歷史仿真或?qū)崪y(cè)的功率分配系數(shù)值信息，使優(yōu)化功率分配的搜索范圍相對(duì)于全搜索功率分配方法大為縮小，另外通過靈活配置各自的搜索空間和搜索步長。提高了功率分配的靈活性和精準(zhǔn)性，極大降低了整個(gè)功率分配算法復(fù)雜度。

為了進(jìn)一步說明本專利所述功率分配方法的有效性，圖6為matlab環(huán)境下本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)吞吐量性能仿真圖。仿真參數(shù)設(shè)置如下，信道模型頻率選擇性瑞利衰落信道，6徑的功率分布為[0，-8.69，-17.37，-26.06，-34.74，-43.43]db，最大多普勒頻移為5.55hz，反饋延遲為4ms，功率域疊加用戶數(shù)分別為2、3、4，系統(tǒng)帶寬為10mhz，子帶帶寬為1.08mh，噪聲密度為-174dbm/hz，信道估計(jì)為理想狀態(tài)。仿真結(jié)果可以看出，在4個(gè)用戶情況下，本發(fā)明與部分功率分配方法相比，吞吐量性能提升約5％；與全搜索功率分配方法相比，吞吐量性能下降不到1％；但經(jīng)統(tǒng)計(jì)，本發(fā)明功率分配方法計(jì)算復(fù)雜度為(2l·δ/ο)^n-1，全搜索功率分配方法復(fù)雜度為n/ο^n-1，本發(fā)明極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度。

本發(fā)明充分利用終端經(jīng)歷的無線信道信息，結(jié)合大量的仿真或?qū)崪y(cè)功率分配系數(shù)值，對(duì)復(fù)用用戶功率分配進(jìn)行優(yōu)化，再執(zhí)行功率分配系數(shù)值的映射，從而提高復(fù)用用戶功率分配靈活性與公平性，不僅極大地降低了計(jì)算復(fù)雜度，而且提升了系統(tǒng)的吞吐量。

以上所舉實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行了進(jìn)一步的詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所舉實(shí)施例僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。