[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

说明书

本发明提出了一种水声OFDM‑NOMA下行链路联合资源优化方法，用以解决现有技术中没有可行性强的水下非正交多址网络资源分配机制的问题。首先建立基于OFDM‑NOMA的水声无线通信系统，系统部署一个基站BS以及K个锚节点，每个锚节点的信道信息状态已知；给定约束条件：基站总发射功率Pt、子载波分配的数量约束；以系统速率和为目标函数。为解决联合资源优化问题，将提出的优化问题分步完成。子载波分配采用一种较低的算法复杂度的贪婪算法，来满足该系统子载波分配的优化目标。对于功率分配，将优化目标由发射功率转化为通信速率，将功率分配模型转化为严格的凸优化问题，采用GP算法求解其最优值。本发明科学合理，算法复杂度低，适用于水下恶劣的通信环境。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于水声OFDM-NOMA系统下行链路联合资源优化算法。

背景技术

水声信道被认为是最具挑战性的通信信道之一。它具有快时变、传输衰减大、通信带宽有限、多普勒效应和多径时延扩展严重、传播时延大等一系列特点。这给水下无线传感网络，尤其是物理层多用户水声通信带来很大的挑战。多用户水声通信分为上行通信以及下行通信两种模式。上行链路中，基站在同一时刻接收到不同用户的多个信号；下行链路中，基站是以广播的形式对各用户发送信号。由于基站和各用户均采用蓄电池供电，其网络寿命由蓄电池供电时长决定。此外，水声通信网络的设计目标是具备较低的能量消耗和较高的通信速率。因此，如何在恶劣的水声环境以及有限的资源前提下，合理分配带宽和能量等资源，以提高系统的通信速率，成为多用户水声通信的关键。

为了实现这个目标，无线通信中的很多技术被引入到水声通信当中。例如，正交频分复用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing,OFDM)属于多载波调制技术之一，具有较高的频带利用率和通信速率、抗多径能力强等优点。自适应技术能够有效利用信道的信息自适应改变发射信号的参数，来适应变化的信道。在OFDM基础上引入自适应技术，控制每一个子载波上携带的能量或者比特数，能够进一步提高通信系统的性能。二者的结合能够使各自的优势在水声通信中得到充分发挥。

OFDM技术的基本原理是将无线信道划分为若干互相正交的子信道，把高速串行数据流转化为低速并行子数据流，低速并行子数据流在子信道上独立传输。多址接入技术是能够满足多个用户同时进行通信的必要手段，是无线网络中物理层的核心技术之一。随着互联网通信业务量的日益激增，为获得更高频谱效率和大规模连接，非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术应运而生。NOMA的基本思想是在发送端采用功率域复用的方式叠加发送信号，主动引入干扰信息，接收端通过串行干扰消除方法(Successive Interference Cancellation,SIC)实现正确解调，从而实现多用户复用同一块资源，提高频谱利用率。NOMA技术最大的特点是可将单一资源同时分配给多个用户。

对于传统的LTE下行链路多址接入方案OFDMA，在考虑优化通信的时候，通常做法是将子载波优先分配给信道增益较大的接收机使用，以提高通信质量。然而此种策略可能导致接收机之间的公平性缺失，通信条件好的接收机优先参与子载波的分配过程，而通信条件差的接收机可能永远无法参与通信。NOMA方案则不同，它是利用接收机之间信道质量的差异实现非正交传输增益，因此取得更高的频谱利用率和更为公平的通信。发送端用叠加编码方案作为NOMA方案时，通常选取几个信道差异较大的接收机在同一载波上进行复用，给通信条件较差的接收机分配较大的发射功率，提高它的接收信噪比；给信道条件较好的接收机分配较小的发射功率，保证其最小的通信速率。这样做的好处有两个：第一，进一步提高频谱利用率；第二，保证了接收机与基站之间公平通信。由于水下环境恶劣，实现高质量水声通信的诉求对无线通信技术而言是一项严峻的挑战。因此，采用NOMA作为多址接入是当前水声通信领域研究的热点之一。

发明内容