[发明专利]基于水声OFDM-NOMA系统下行链路的联合资源优化方法

权利要求书

1.一种基于水声OFDM-NOMA系统下行链路联合资源优化方法，所述方法包括如下步骤：

S1.建立基于水声OFDM-NOMA系统下行链路的无线网络通信系统；

S2.针对步骤S1建立的无线网络通信系统，建立系统优化模型，包括优化变量、约束条件和目标函数；

所述步骤S2具体为：

优化变量为发射功率p_k,n和子载波分配因子b_k，n，只有当子载波n分配给锚节点k时，b_k，n＝1，否则b_k，n＝0；约束条件为基站总发射功率P_t以及两级叠加编码多址接入方案中单一子载波同时分配给2个锚节点的数量约束；目标函数为系统容量；

假设每个锚节点的信道信息状态已知，锚节点k在子载波n上的信道信噪比可以表示为：

其中，h_k，n为锚节点k在子载波n上的功率增益，环境噪声为加性高斯白噪声N(0，σ²)；

假设子载波n同时分配给两个不同的锚节点k和d，并且H_d，n≥H_k，n；由于信号采用MQAM调制方式，并且水下信噪比在(0,20dB)区间内，因此，考虑误码率BER约束，引入信噪比差距参数Γ：Γ＝-ln(5×BER)/1.5，于是，根据香农公式，第n个子载波上的通信速率R_n为：

其中，p_k，n为锚节点k在子载波n上的发射功率，锚节点用集合表示，每个OFDM符号包含N个有效的数据子载波，用集合表示，因此，系统容量U_total为：

确定了目标函数、约束条件和优化变量后，联合资源优化JRA模型就表示为：

s.t.C1:

C2:

C3:

C4:

其中，k(d)是指k或者d；C1和C2表示子载波分配约束，C1表示每个子载波同时分配给2个锚节点使用，C2是子载波分配因子的值的集合，即分配因子只能取0或者1；C3和C4表示功率约束，C3是系统总发射功率约束，C4表示每个锚节点的子载波上分配的功率均不小于0；

S3.针对步骤S2建立的优化模型进行求解，分步骤完成子载波分配和功率分配：运用启发式贪婪算法得到子载波分配问题的次优解，运用几何规划算法得到功率分配的最优解，最终得到联合优化模型的次优解，获得无线网络的最大通信容量；所述步骤S3具体为：

3.1)将总发射功率平均分配给每个子载波，然后计算得到各锚节点设定的最低通信容量公式为：

其中，η_k是锚节点k的权重因子，ξ和α为系统扩展因子；是各锚节点在功率平均分配之后的平均通信容量；

3.2)子载波分配

基站将子载波从1到N依次分配K个锚节点，分配原则为每个子载波同时分配给通信质量最好的和最差的锚节点；一旦有锚节点达到了其最低通信容量，则该阶段停止分配子载波给此锚节点；如果所有锚节点都达到其最低通信容量后，还剩余子载波，则不再进行通信容量判断，直接把等待分配的子载波分配给通信质量最好的和最差的锚节点；

3.3)功率分配，将优化目标由功率p_k(d),n转化为速率R_k(d)，n

利用公式

p_n＝p_d，n+p_k，n

为简化运算，令J_d，n＝Γ/H_d，n，J_k,n＝Γ/H_k，n，则

令R_d,n＝βp_n，R_k，n＝(1-β)p_n，其中0β1，则可以得到：

由上述表达式可以得到：

经过运算化简得到子载波n的分配功率表达式：

其中，在总功率约束下，将功率约束转化为速率约束，得到最终的功率优化模型为：

s.t.C3:

C4:

3.4)采用几何规划算法求解3.3中优化模型的最优值。

2.根据权利要求1所述的基于水声OFDM-NOMA系统下行链路联合资源优化方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：

建立水下无线网络通信系统，部署一个基站BS和K个锚节点，其中每个锚节点都包含有一个信息接收机和能量接收机，信息接收机采用连续干扰消除SIC方法进行信息解调；采用两级叠加编码方案作为非正交多址接入方案，每个有效数据子载波同时共享给两个锚节点使用；锚节点k在子载波n上的信道信噪比均已知。