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一种面向CR-NOMA系统的动态功率分配算法

彭艺 范泽昊 杨青青 彭游

彭艺,范泽昊,杨青青,等. 一种面向CR-NOMA系统的动态功率分配算法[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.2021246
引用本文: 彭艺,范泽昊,杨青青,等. 一种面向CR-NOMA系统的动态功率分配算法[J]. 电波科学学报,xxxx,x(x): x-xx. DOI: 10.12265/j.cjors.2021246
PENG Y, FAN Z H, YANG Q Q, et al. A dynamic power allocation algorithm for CR-NOMA system[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021246
Citation: PENG Y, FAN Z H, YANG Q Q, et al. A dynamic power allocation algorithm for CR-NOMA system[J]. Chinese journal of radio science,xxxx,x(x): x-xx. (in Chinese). DOI: 10.12265/j.cjors.2021246

一种面向CR-NOMA系统的动态功率分配算法

doi: 10.12265/j.cjors.2021246
基金项目: 国家自然科学基金(617610025)
详细信息
    作者简介:

    彭艺 (1975—),女,云南人,昆明理工大学副教授,博士,研究方向为无线认知网络

    范泽昊 (1996—),男,河北人,昆明理工大学硕士研究生,研究方向为认知无线电、非正交多址接入技术

    杨青青 (1981—),女,山东人,博士,硕士研究生导师,研究方向为信息处理、应急通信以及新材料等方面

    通讯作者:

    范泽昊 E-mail:1073138447@qq.com

  • 中图分类号: TN929.5

A dynamic power allocation algorithm for CR-NOMA system

  • 摘要: 在密集小区的认知非正交多址(cognitive radio non-orthogonal multiple access, CR-NOMA)网络场景下,针对用户采取Underlay方式复用时信道频带利用率低问题,提出了一种基于能效的组合用户动态功率分配算法. 该算法在保证主用户服务质量前提下,基于用户之间的干扰和信干噪比,优化了组合多用户的接入方案,使信道接入用户数量最大且提高了频带利用率. 同时,根据增益排序下的功率差额配比改进了剩余功率再分配方案,使空闲功率重新利用更加合理和有效. 仿真结果表明,本文算法可以有效实现接入用户数量最大化的同时提高频谱利用率.
  • 图  1  CR-NOMA多用户接入模型

    Fig.  1  CR-NOMA multi-user access model

    图  2  SU接入模型

    Fig.  2  Secondary user access model

    图  3  允许接入的SU数随发起请求SU数变化

    Fig.  3  The number of secondary users allowed to access varies with the number of secondary users who initiate requests

    图  4  SU公平指数随分配功率变化

    Fig.  4  The change of secondary user fairness index with allocated power

    图  5  允许接入SU数随PU信干噪比变化

    Fig.  5  Variation of allowable access secondary users with new interference noise ratio of primary users

    图  6  平均系统能效随接入SU数变化

    Fig.  6  The average system energy efficiency varies with the number of access users

    图  7  频带利用率之比随接入用户数变化

    Fig.  7  The ratio of band utilization varies with the number of access users

    表  1  基于能效的组合用户功率动态分配算法

    Tab.  1  Combined user power dynamic allocation algorithm based on energy efficiency

    (1) 初始化控制参数$ {P}_{\mathrm{s}} $,用户队列字典$ S=\{{S}_{1}:{P}_{1};{S}_{2}:{P}_{2};\cdots {;S}_{j}:{P}_{j}\} $,$ j\in \left(1,{\displaystyle\sum }_{j=1}^{N}{C}_{N}^{j}\right) $,序列字典$ {S}^{\mathrm{*}}=\{{S}_{1}:0;{S}_{2}:0;\cdots ;{S}_{k}:0\} $,$ k\in (\mathrm{1,2},\cdots ,n) $,发起请求SU字典$ \mathrm{S}\mathrm{U}=[{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{1}:{P}_{1};{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{2}:{P}_{2};\cdots ;{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{i}:{P}_{i}] $
    (2) for $ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j},{P}_{j} $ in range S. items():  # 遍历用户队列字典
    (3)  for $ j $,$ {P}_{i} $ in range(1,$ {\displaystyle\sum }_{j=1}^{N}{C}_{N}^{j} $):
    (4) permutations ($ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j},j $) * 生成随机组合
    (5)   return $ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j} $  # 返回编号为 $ j $的组合$ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j} $
    (6)  return $ {\displaystyle\sum }_{{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j}}{P}_{i}{x}_{i} $  # 返回编号为 $ j $的组合$ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j} $的SU功率和
    (7) 将$ {\mathrm{S}\mathrm{U}}_{j} $的功率和赋值给序列字典$ {S}^{\mathrm{*}} $,得到更新后的序列字典$ {S}^{\mathrm{*}}=\{{S}_{1}:\displaystyle\sum {P}_{i}{x}_{\left(i,{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{1}\right)};{S}_{2}:\displaystyle\sum {P}_{i}{x}_{\left(i,{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{2}\right)};\cdots {;S}_{k}:\displaystyle\sum {P}_{i}{x}_{\left(i,{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{k}\right)}\} $
    (8) for $ k{P}_{k} $in range$ {S}^{\mathrm{*}} $.items():
    (9)  if $ {P}_{k} > {P}_{\mathrm{s}} $:
    (10)   return 0
    (11)  elif $ {P}_{k}={P}_{\mathrm{s}} $:
    (12)   return k
    (13)   return $ n=\displaystyle\sum {x}_{\left(i,{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{k}\right)} $  # 返回最优值
    (14)  else:
    (15)   if $ {{P}_{s}-P}_{k}\ge {P}_{\left(\mathrm{U}\mathrm{A},j\right)}: $  # $ {P}_{(\mathrm{U}\mathrm{A},j)} $表示未接入的用户
    (16)   return 0
    (17)  else:
    (18)    return $ {P}_{k} $
    (19)    return $ n=\displaystyle\sum {x}_{\left(i,{\mathrm{S}\mathrm{U}}_{k}\right)} $  # 返回$ k $用户数
    (20)  return $ k $
    (21) 返回值继续赋值给序列字典$ {S}^{\mathrm{*}} $
    (22) * 将$ {S}^{\mathrm{*}} $内冗余情况清空,返回值继续存放在序列字典$ {S}^{\mathrm{*}} $,节省内存
    (23) for $ {k}^{\mathrm{*}} $,$ n $ in range$ {S}^{\mathrm{*}} $.items():
    (24) $ n $.sort(reverse=True)
    (25) return $ {k}^{\mathrm{*}} $  # 返回按从大到小后的顺序给列表
    (26) if $ {n}_{{k}^{\mathrm{*}}} > {n}_{{k}^{\mathrm{*}}-1} > {n}_{{k}^{\mathrm{*}}-2} > \cdots $:  # 判断用户数量最多
    (27)  return $ {k}^{\mathrm{*}} $
    (28) elif $ {n}_{{k}^{\mathrm{*}}}={n}_{{k}^{\mathrm{*}}-1}={n}_{{k}^{\mathrm{*}}-2} > \cdots $:
    (29)  cmp($ {P}_{{k}^{\mathrm{*}}},{P}_{{k}^{\mathrm{*}}-1}\cdots $) # 返回功率最大的情况
    (30) else:
    (31)  Break
    (32) end
    下载: 导出CSV

    表  2  基于信道增益的功率再分配算法

    Tab.  2  Power redistribution algorithm based on channel gain

    (1) 初始化字典$ \boldsymbol{Q}=\{{\boldsymbol{Q}}_{1}:\left|{\boldsymbol{h}}_{\left(\mathbf{S}\mathbf{U},1\right)}\right|,{\boldsymbol{Q}}_{2}:\left|{\boldsymbol{h}}_{\left(\mathbf{S}\mathbf{U},2\right)}\right|\cdots {\boldsymbol{Q}}_{\boldsymbol{k}}:\left|{\boldsymbol{h}}_{\left(\mathbf{S}\mathbf{U},\boldsymbol{k}\right)}\right|\},{\boldsymbol{P}}_{\mathbf{A}}=0,{\boldsymbol{P}}_{\mathbf{U}\mathbf{N}}=0 $,初始化列表$ \boldsymbol{O}=\mathbf{\varnothing } $,${\boldsymbol{O}}^{\boldsymbol{*}}=\mathbf{\varnothing } $
         # $ {\boldsymbol{P}}_{\mathbf{A}}=0 $表示接入用户总功率   $ {\boldsymbol{P}}_{\mathbf{U}\mathbf{N}}=0 $表示剩余功率
    (2)将算法1中最优解的SU功率及信道增益值赋值给字典
    (3) $ \boldsymbol{Q} $.sort(reverse=True)   # 将$ \boldsymbol{Q} $中元素按初始功率从大到小排列
    (4) 代入式(18)-(20),计算出$ \boldsymbol{Q} $中SU排出干扰后的功率
    (5) ${\boldsymbol{P} }_{\mathbf{A} }={\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{l}=1}^{\boldsymbol{k} }{\boldsymbol{P} }_{\boldsymbol{l} }$
    (6) $ {\boldsymbol{P}}_{\mathbf{U}\mathbf{N}}={{\boldsymbol{P}}_{\mathbf{s}}-{\boldsymbol{P}}_{\mathbf{A}}}_{} $
    (7) $ \boldsymbol{Q} $.sort(reverse=True)   # 将$ \boldsymbol{Q} $中元素按增益从大到小排列
    (8) 功率累减得到数列,并构造新列表$ \boldsymbol{O}=[{\boldsymbol{O}}_{1},{\boldsymbol{O}}_{2},\cdots ,{\boldsymbol{O}}_{\boldsymbol{k}-1}] $   # 信道增益相近用户功率差
    (9) 构造新列表${\boldsymbol{O} }^{ {*} }=\left[\left|\frac{ {\boldsymbol{O} }_{1} }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }|,|\frac{ {\boldsymbol{O} }_{2} }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }|\cdots |\frac{ {\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{l} } }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }\right|\right]$
    (10) ${\boldsymbol{P} }_{\boldsymbol{k}-1}={\boldsymbol{P} }_{\mathbf{U}\mathbf{N} }\left|\frac{ {\mathbf{O} }_{\boldsymbol{l} } }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }\right|+{\boldsymbol{P} }_{\boldsymbol{k}-1},{\boldsymbol{P} }_{\boldsymbol{k}-2}={\boldsymbol{P} }_{\mathbf{U}\mathbf{N} }\left|\frac{ {\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{l}-1} }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }\right|+{\boldsymbol{P} }_{\boldsymbol{k}-2},\cdots \cdots {,\boldsymbol{P} }_{1}={\boldsymbol{P} }_{\mathbf{U}\mathbf{N} }\left|\frac{ {\boldsymbol{O} }_{1} }{ {\displaystyle\sum }_{\boldsymbol{L}=1}^{\boldsymbol{k}-1}{\boldsymbol{O} }_{\boldsymbol{L} } }\right|+{\mathbf{P} }_{1}$ # 剩余功率分配给前$ \boldsymbol{k}-1 $个SU
    (11) end
    下载: 导出CSV
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  • 收稿日期:  2021-09-06
  • 录用日期:  2021-12-14
  • 网络出版日期:  2021-12-14

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