多载波数能同传NOMA网络能效最大化方法

技术特征：
1.一种多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，包括以下步骤：初始化子载波个数和用户个数和位置，生成基站和中继的位置，并初始化参数；基站和中继获取用户的信道状态信息csi，确定每个用户的信道增益，将用户按照信道增益进行升序排列；建立优化问题，基于指数替换改写目标函数和约束并将目标函数进行分式规划处理，将约束进行放缩处理，得到等价问题；内层更新参数，外层更新参数，迭代更新等价问题，得到等价问题函数值；若达到收敛精度或等价问题迭代次数达到最大值，则得到分配的功率值和能量分流系数θ，并计算能效值ee，若未达到收敛精度且算法迭代次数未达到最大值，则返回对内层、外层更新参数。2.根据权利要求1所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述初始化子载波个数和用户个数和位置，生成基站和中继的位置，并初始化参数，基站和中继获取用户的信道状态信息csi，确定每个用户的信道增益，将用户按照信道增益进行升序排列，具体包括：初始化系统参数k,n,h
n
,其中用户数为k，表示用户集，子载波数为n，表示子载波集，发射机和接收机的信道由两部分组成，即小尺度衰落和大尺度衰落，基站和中继之间信道增益为中继和用户信道增益表示为其中和为瑞利衰落系数，和分别为基站和中继以及中继和用户之间的直线距离，α为路径损耗指数；初始化算法参数q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
，其中q
(0)
,p
(0)
,λ
(0)
均为迭代参数的初始值；将信道进行升序排列|g
1n
|≤...≤|g
2n
|≤...≤|g
3n
|≤...≤|g
kn
|。3.根据权利要求2所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述建立优化问题具体包括：在第一个时隙，基站发送广播信号，在第二个时隙中，中继处进行能量采集，采用能量分流协议，将接收到的信号分为两个部分，一部分用于放大转发，进行下一跳传输，另一部分用于能量采集，采集到的能量存入中继的电池中，为中继放大转发进行供能，用户k在子载波n上的sinr为：其中，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差，是中继处能量分流产生的噪声的方差。因此，用户k在子载波n上可实现的和速率为：系数1/2是由于基站到用户的信号传递需要两个时隙；系统全局能量效率定义为系统的总传输速率r除以系统总能耗e
com
，即系统的总速率为所有子载
波上速率之和：而系统的总能耗为系统耗费的能量减去电池存储的能量：其中，p
c
是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗，将r和e
com
的表达式代入，建立优化问题：s.t.c1:c2:c3:c4:c5:0≤θ≤1,其中，是用户k在载波n的发射功率，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,θ为能量分流系数，η为能量转换效率系数，β
n
表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求，p
smax
为基站最大发射功率，h
n
为基站和中继在子载波n上信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，p
c
是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗，式中，c1为基站最大传输功率约束，p
smax
表示基站的最大传输功率；c2为中继转发功率的约束；c3为每个用户的最小速率需求约束，r
min
表示用户的最小速率需求；c4为功率和放大转发系数的非负约束；c5为能量分流系数的取值在0-1之间。4.根据权利要求3所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述得到优化问题后，基于指数替换改写目标函数和约束，具体包括：通过指数替换：目标函数和约束改为：
s.t.c1:c2:c3:c4:c5:c6:c7:将约束c2用指数形式进行替换不等号右边部分在处进行一阶泰勒展开，其中ζ为当前的迭代次数，得到：因此带入上式，可得到：将约束c3用指数形式进行替换：改写为：
令原式可化为其中，是用户k在载波n上的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到用户的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差，为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，c
n
表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求，p
smax
为基站最大发射功率，h
n
为基站和中继在子载波n上信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，p
c
是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。5.根据权利要求4所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述将目标函数进行分式规划处理，将约束进行放缩处理，得到等价问题，具体包括：对于目标函数，首先通过分式规划改写为两式相减：其中，λ
(ζ)
＞0，为分式规划迭代因子，其中ζ为当前的迭代次数，再通过放缩、泰勒展开改写为：其中，q
(ζ)
，p
(ζ)
为内层更新的参数，λ
(ζ)
为外层更新的参数，λ
(ζ)
为外层更新的参数，其中ζ为当前的迭代次数，最后，问题等价为：s.t.c1:c2:
c3:c4:c5:c6:其中，是用户k在载波n的发射功率的指数替换形式，是基站到中继的噪声方差，是基站到中继的噪声方差，是能量分流产生的噪声的方差,a
n
为能量分流系数的指数替换形式，η为能量转换效率系数，c
n
表示在子载波n上中继的放大系数，为中继为每个载波分配的转发功率，r
min
为用户最小速率需求，p
smax
为基站最大发射功率，h
n
为基站和中继之间在子载波n上的信道增益，为中继和用户k在子载波n上的信道增益，p
c
是电路的恒定损耗，为中继处维持正常工作状态的电路损耗。6.根据权利要求5所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述内层更新参数，外层更新参数，迭代更新等价问题，得到等价问题函数值，具体包括：内层参数根据数根据更新，其中ζ为当前的迭代次数，而外层参数根据来更新，同理，其中ζ为当前的迭代次数，ζ 1为下一次的迭代次数；并求解每次迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)。7.根据权利要求6所述的多载波数能同传noma网络能效最大化方法，其特征在于，所述若达到收敛精度或等价问题迭代次数达到最大值，则得到分配的功率值和能量分流系数θ，并计算能效值ee，若未达到收敛精度且算法迭代次数未达到最大值，则返回对内层、外层更新参数，具体包括：即将得到的迭代问题的优化值f(λ
(ζ 1)
)、f(λ
(ζ)
)，带入进行计算；若成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee；若不成立时，则查看ζ＝ζ
max
是否成立，若ζ＝ζ
max
成立，则输出分配的功率值和能量分流系数θ并计算能效值ee，若ζ＝ζ
max
不成立，则返回更新内层、外层参数。

技术总结
本发明请求保护一种多载波数能同传协作NOMA网络能效最大化的方法，属于无线通信资源分配领域。该方法考虑到基站发射功率和用户最低传输速率约束条件，通过控制基站发射功率、中继能量采集分流系数最大化系统的总能效。本方法主要基于变量替换、放缩、连续凸逼近和分式规划方法等，通过将非凸问题转换成凸优化问题求解，最大程度地提高系统能效。本发明具有计算复杂度低，可严格保证用户QoS、中继采集能量阈值，提高系统能效的优点，特别适合多载波数能同传协作NOMA网络。数能同传协作NOMA网络。数能同传协作NOMA网络。


技术研发人员：樊自甫 杜金 王正强 万晓榆
受保护的技术使用者：重庆邮电大学
技术研发日：2022.01.21
技术公布日：2022/5/20