[发明专利]上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法

权利要求书

1.上行单簇NOMA系统最大化权重和速率的功率分配方法，其特征在于：包含1个基站和M个用户的单小区上行NOMA系统，基站和用户都配置单根天线，用u_m表示第m个用户，m＝1,2,…M，所有的用户使用相同的频段，u_m到基站的信道为h_m，|h₁|²≥|h₂|²≥…≥|h_M|²， u_m的功率为p_m，是用户u_m最大的发送功率，

用y表示基站的接收信号，y的表达形式为

其中，x_m是u_m的发送信号，n是基站接收到的高斯白噪声，均值为零方差为σ²，基站按信道强度递减的顺序依次检测每个用户的发送信号并消减该信号带来的干扰；

u₁首先检测出x₁，并消除该信号对y造成的干扰，然后再检测x₂，并消除该信号对y造成的干扰，依次检测其他信号并消除这些信号对y造成的干扰，直至检测出x_M，基站检测x_m时的信干噪比为

单个用户的最低单位带宽速率需求为R^min，该速率对应的信干噪比为c，因此，要满足

由此可推出，p_m的取值满足

根据式(2)，u_m的单位带宽速率R_m的表达形式为

系统中M个用户的单位带宽权重和速率为

其中，w_m是u_m的权重；

在满足每个用户最低单位带宽速率需求下，通过分配适当的功率，最大化系统的权重和速率：

功率分配的目标用公式表示为

其中，约束条件表示u_m的发送功率不能超过约束条件R_m≥R^min表示u_m的单位带宽速率不低于R^min，

首先推导满足u_m的最低单位带宽需求的条件下，p_m的取值范围；

令式(4)中的m＝M，可推出p_M的取值范围满足

p_M≥cα_M (8)

其中，m＝1,2,...,M。令式(4)中的m＝M-1，可推出p_(M-1)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-2，可推出p_k(M-2)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-3，可推出p_k(M-3)的取值范围满足

令式(4)中的m＝M-4，可推出p_k(M-4)的取值范围满足

采用归纳法可得，p_m的取值满足式(13)

用表示满足u_m的最低单位带宽速率需求时u_m所需的最低功率，的取值为

令m＝1,2,...,M，则式(7)中的优化问题可等价表示为

其中，约束条件表示u_m的发送功率不能超过约束条件R_m≥R^min表示u_m的单位带宽速率不低于R^min

将系统的权重和速率即式(6)等效表示为式(16)

求R^sum关于p_m的偏导数，可得

由于恒成立，R^sum是p₁的单调递增函数，系统权重和速率最大时，u₁的功率为

m＝2,...,M时，是否大于零与权重值有关，接下来给出在不同权重场景下最大化系统权重和速率的功率分配方案：

Case1：w_m-1≤w_m，m＝1,2,...,M

w_m-1≤w_m时，即R^sum是p_m的单调递增函数，由于当时，R^sum达到最大值，

Case2：w_m-1w_m，m＝1,2,...,M

如果则有

接下来推导p_i与p_M的关系，i＝1,2,…,M-1，将不等式(18)中大于号右边的部分表示为p_M的函数，令式(4)中的m＝M-1，可推出

令式(4)中的m＝M-2，可得出

令式(4)中的m＝M-3，可得出

依次类推，可得出

其中，式(22)中m＝1,…,M-1，

将不等式(18)中大于号右侧定义为p_i的函数g(p_i,i＝1,2,…,M)，推导能得出，g(p_i,i＝1,2,…,M)是p_m的单调递增函数，结合式(22)，把式(18)转化为式(23)，

将式(23)大于号右侧定义为关于p_M的函数f(p_M)，求f(p_M)关于p_M的导数可得，恒成立，即f(p_M)是p_M的单调递增函数，由于因此时，恒成立，即R^sum是p_m的单调递增函数，当时，R^sum达到最大值；

同理可知，如果则有

w_mf(p_M) (24)

由于当时，恒成立，R^sum是p_m的单调递减函数，当时，R^sum取得最大值，

当w_m的取值范围在时，无法判断w_m是否大于g(p_i,i＝1,2,…,M)，从而无法直接为该簇分配功率，接下来给出一种迭代的功率分配方法，步骤如下：

步骤1：计算和的值，对于任意簇，若则为用户分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户分配功率将该用户放入集合B中，若则为用户分配最小功率将该用户放入集合A中，将为用户分配的功率依次放入集合Q₁中，令k＝1；

步骤2，将Q_k中的功率代入g(p_i,i＝1,2,…,M)，对于集合A中的任意用户u_n，若w_ng(p_i,i＝1,2,…,M)，则重新为用户u_n分配功率否则重新为用户u_n分配功率令k＝k+1，将为用户分配的功率依次放入集合Q_k中；

步骤3，重复步骤2，直至集合Q_k-1＝Q_k。