CN109413749B - 一种scma网络容量分析与分层多播资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法，应用SCMA在无线多播通信中，利用SCMA的优势来扩展多播系统的容量，首先对系统的容量进行了公式，并且在这里采用分层多播技术应用于SCMA网络，采用分层编码技术应用在SCMA网络中，使得系统的容量不再受限于多播系统中最差用户的信道质量，提高了信息传输的效率和信道的利用率，提供了用户的体验，本发明采用资源分配算法来最大化系统的容量，为了减少计算复杂度，还提出了次优化算法，该次优化算法分为功率分配和码本分配两个阶段。仿真结果显示了提出的算法在基于分层多播的SCMA网络和正交频分复用(OFDMA)网络中的可行性。

Description

一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法

技术领域

本发明涉及通讯技术领域，尤其涉及一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法。

背景技术

相比于正交频分多址接入技术，非正交多址接入技术可以使系统获得更高吞吐量和接纳更多的用户，因此，成为了5G热门的候选技术之一。在现有的非正交多址接入技术中，稀疏码多址接入是一种码域的策略。不同于低密度标识序列技术，SCMA可获得多维星座的增益。在SCMA网络中，输入的比特被直接映射到稀疏码字上，该码字是从预先定义的码本中选取。每个码本对应一个数据流，码本集的数量要求多于物理资源(例如：子载波)的数量。由于SCMA负载的特性，每个码本可以被多个数据流所使用，因此，在接收端就需要多用户检测技术(MUD)。

当前，在SCMA网络的研究中多集中在网络分析和SCMA码本的设计中。讨论一种利用SCMA的分集增益和编码增益的迭代多用户接收机。在蜂窝小区内随着多播广播技术的发展，无线多播技术可以将相同的数据发送给同一多播组的所有成员。在传统的多播传输策略中，网络容量受限于多播组中最差用户的信道质量。为了解决这种问题，有提出了基于分层编码的机会多播策略，在采用分层编码时，原始的多播数据被编码为一个基本层和多个增强层，基本层数据需要被所有用户正确接收，而增强层数据是提供给用户信道条件越好的用户，信道条件越好则能接收越多的增强层数据。因此在采用分层编码的机会多播的传输策略中，可以获得比只采用传统多播策略更高的系统吞吐量。然而，以往对SCMA网络的研究中多集中于单播传输，无法满足现有的网络传输需求。

发明内容

针对上述缺陷或不足，本发明的目的在于提供一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法，包括：

1)、将原始多播数据进行分层，分为基本层数据和增强层数据；所述基本层数据为多播组中的所有用户能够正确接收的数据；所述增强层数据为根据多播组中不同信道质量的用户采用差异化接收的数据；

2)、对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配；

3)、对码本分配和功率分配后的基本层数据和增强层数据进行SCMA编码后，通过频率选择信道进行数据传输，以使得接收端根据码本的分配信息来恢复原始的多播数据。

所述步骤2)对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配具体包括：

2.1、定义基本层数据的多播速率为：

其中，

表示基本层数据需要的速率，h_u,k表示用户u在子载波k上的信道增益，其中

η表示路损常数，d_u表示从用户u到基站的距离，α表示路损系数，ρ_u,k表示用户u在子载波k上的瑞利衰落，P_b表示传输基本层的总功率，该功率是均等的分配给LB个码字中，δ²表示广播信道中在码本上的噪声功率；U＝{1,...u,...,U}表示一组多播用户，该组多播用户有相同的QoS需求，并且每个用户采用单天线，系统带宽可以被分为一组子载波集合，用K＝{1,...k,...,K}表示系统带宽可以被分为一组子载波集合，C＝{1,...c,...,C}表示码本集合，B＝{1，...b,...,B}表示分配给基本层数据的码本集合；

2.2、定义增强层数据的多播速率为：

其中，P_e表示传输增强层的总功率，该功率是均等的分配给LE个码字中；

2.3、系统的容量表示为：

其中，所述

表示满足增强层最小速率需求的用户集合，

所述系统的容量最大化分配为：

3.1、容量最大化分配公式为：

满足:

P_b+P_e≤P,P_b≥0,P_e≥0 (c)

限制条件(b)表示码本集C中的同一码本不能同时分配给基本层和增强层数据。由于总的传输功率有限，P_b和P_e需要满足限制条件(c)。限制条件(d)表示保障用户需求的基本层和增强层的最小速率；

3.2、采用次优化快速算法(FSA)获取最优化问题容量最大化分配公式的解。

所述次优化快速算法(FSA)为：

4.1、码本分配阶段：

设基站的总功率P是等功率分配给所有的码本，码本分配问题公式为：

minB；

满足:

然后计算在每个码本上的多播速率，并将其按降序排列，按从高到低的次序选择码本，并计算和速率直到满足基本层速率为止；

4.2、功率分配阶段：

功率分配可以公式为：

minP_b

满足:

当分配给基本层的码本集

被确定后，R_B重新公式为：

上式是一个对数函数，并且函数是单调递增的，所以，当

时，P_b得到最小值；

4.3、最后，功率分配问题转换为解决P_b的B阶多项式的问题，表示为：

其中，

是一个常数；

利用Matlab来求解P_b，增强层的功率P_e＝P-P_b。之后，设置

ε,P_b和P_e，并获得系统的容量。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法，应用SCMA在无线多播通信中，利用SCMA的优势来扩展多播系统的容量，首先对系统的容量进行了公式，并且在这里采用分层多播技术应用于SCMA网络，采用分层编码技术应用在SCMA网络中，使得系统的容量不再受限于多播系统中最差用户的信道质量，提高了信息传输的效率和信道的利用率，提供了用户的体验。

进一步的，本发明采用资源分配算法来最大化系统的容量，为了减少计算复杂度，还提出了次优化算法，该次优化算法分为功率分配和码本分配两个阶段。仿真结果显示了提出的算法在基于分层多播的SCMA网络和正交频分复用(OFDMA)网络中的可行性。

附图说明

图1是本发明网络模型结构示意图；

图2是本发明的方法流程框图；

图3是本发明的SCMA网络中基于分层多播策略的系统框图；

图4是本发明的用户数与系统容量图；

图5是本发明的用户数与λ图；

图6是本发明的用户数与平均降解概率图；

图7是本发明的基站总功率与平均降解概率图；

图8是本发明的基站总功率与系统容量图；

图9是本发明的基本层需求的最小速率与系统容量图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

如图1所示，本发明的网络模型为：

考虑一个下行的单小区SCMA网络，网络模型如图1所示，一组多播用户表示为

该组多播用户有相同的QoS需求，并且每个用户采用单天线。系统带宽可以被分为一组子载波集合，用

表示。在基站端，每个长度为log2M比特的数据流被直接映射为K维的预先设定的复合码本中，K维矩阵中，有L(L<K)个非零稀疏元素。用C＝{1,...c,...,C}表示码本集合，码本数量是一个码本长度为K，有L个非零元素的函数。因此，可以将码本与子载波间的映射关系表示如下：

F是一个C×K的矩阵，二进制元素a_c,k取值为0或1，如果码本c被子载波k所使用，则a_c,k取值为1，否则取0。在这里稀疏矩阵F，每一行有L个1元素。

每个多播数据流被映射到一个码本c，得到一个稀疏码字矢量x_c后，||x_c||²＝K，所有的码本C被复用到K个子载波上。P_c表示每个码本c上分配的功率，并且满足∑_c∈CP_c≤P，在这里P表示基站的总功率。因此，用户u接收的信号可以表示为：

在这里h_u＝(h_u,1,...h_u,K)表示信道矢量，h_u,k表示用户u在子载波k上的信道增益，其中

η表示路损常数，d_u表示从用户u到基站的距离，α表示路损系数，ρ_u,k表示用户u在子载波k上的瑞利衰落，n_u表示用户u的加性高斯白噪声。

由于SCMA码字的稀疏性，可以使接收端采用复杂度较低的消息传递算法(MPA)和多用户联合迭代法，从而实现近似多用户最大似然解码。SCMA是码域非正交多址接入技术，将来自一个或多个用户的多个数据流，通过码域扩频和非正交叠加在同一时频资源单元中发送；接收端通过线性解扩分离出同一时频资源单元中的多个数据流。因此，来自不同数据流的码本在互不干扰时可以被解码。假设每一用户通过无差错反馈信道，反馈其瞬时信道信息给基站。不考虑非多播组用户码本的重复使用情况，并且多播组的链路之间没有相互干扰。

表示使用码本c的子载波的集合。因此，用户u在码本c上的信噪比可以表示为：

P_c,k表示在子载波k上采用码本c时加载的功率，

表示广播信道中在码本c上的噪声功率。假设每个码本上的噪声功率都是相等的，例如：

在广播信道中用户u在码本c上的速率表示为：

R_u,c＝log₂(1+γ_u,c)。

基于以上的网络模型，如图2所示，本发明提供了一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法，包括：

1)、将原始多播数据进行分层，分为基本层数据和增强层数据；所述基本层数据为多播组中的所有用户能够正确接收的数据；所述增强层数据为根据多播组中不同信道质量的用户采用差异化接收的数据；

如图3所示，SCMA网络中基于分层多播策略的系统框图。原始的多播数据首先被编码为一个基本层和多个增强层。基本层数据要求多播组中的所有用户能够正确接收，多播组用户只要正确接收了基本层的数据，才能正确的解码后续的数据。增强层数据是根据多播组中不同信道质量的用户采用差异化接收的方式，也就是说，信道质量好的用户能够接收越多增强层的数据，用户接收越多增强层的数据，也就能恢复越高质量的原始数据。首先分配足够的码本给基本层数据，如果有剩余码本再分配给增强层的数据。在接收端根据码本的分配信息来恢复原始的多播数据。

2)、对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配；

对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配具体包括：

2.1、定义基本层数据的多播速率为：

其中，

表示基本层数据需要的速率，h_u,k表示用户u在子载波k上的信道增益，其中

η表示路损常数，d_u表示从用户u到基站的距离，α表示路损系数，ρ_u,k表示用户u在子载波k上的瑞利衰落，P_b表示传输基本层的总功率，该功率是均等的分配给LB个码字中，δ²表示广播信道中在码本上的噪声功率；

表示一组多播用户，该组多播用户有相同的QoS需求，并且每个用户采用单天线，系统带宽可以被分为一组子载波集合，用

表示系统带宽可以被分为一组子载波集合，C＝{1,...c,...,C}表示码本集合，

表示分配给基本层数据的码本集合；

2.2、定义增强层数据的多播速率为：

其中，P_e表示传输增强层的总功率，该功率是均等的分配给LE个码字中；

2.3、系统的容量表示为：

其中，所述

表示满足增强层最小速率需求的用户集合，

1、所述系统的容量最大化分配为：

3.1、容量最大化分配公式为：

满足:

P_b+P_e≤P,P_b≥0,P_e≥0 (c)

限制条件(b)表示码本集C中的同一码本不能同时分配给基本层和增强层数据。由于总的传输功率有限，P_b和P_e需要满足限制条件(c)。限制条件(d)表示保障用户需求的基本层和增强层的最小速率；

3.2、采用次优化快速算法(FSA)获取最优化问题容量最大化分配公式的解。最优化问题是一个混合组合问题。虽然，采用遍历搜索方法能够获得最优解，但是计算复杂度高，不适合实际的系统，因此为了降低复杂度，可以采用次优化快速算法(FSA)。于是，本发明提出一个次优化快速算法，该次优化算法分为码本分配和功率分配两个阶段进行。

4.1、码本分配阶段：

为了最大化系统吞吐量，码本需要多分配给增强层数据。在码本分配阶段，设基站的总功率P是等功率分配给所有的码本，码本分配问题公式为：

minB；

满足:

然后计算在每个码本上的多播速率，并将其按降序排列，按从高到低的次序选择码本，并计算和速率直到满足基本层速率为止；

详细的码本分配步骤如算法1所示：

4.2、功率分配阶段：

功率分配是在码本分配完后进行，功率分配的目的是在优先保证所有用户的基本层速率的QoS需求时最小化P_b。功率分配可以公式为：

minP_b

满足:

当分配给基本层的码本集

被确定后，R_B重新公式为：

上式是一个对数函数，并且函数是单调递增的，所以，当

时，P_b得到最小值；

4.3、最后，功率分配问题转换为解决P_b的B阶多项式的问题，表示为：

其中，

是一个常数；

利用Matlab来求解P_b，增强层的功率P_e＝P-P_b。之后，设置

ε,P_b和P_e，并获得系统的容量。

3)、对码本分配和功率分配后的基本层数据和增强层数据进行SCMA编码后，通过频率选择信道进行数据传输，以使得接收端根据码本的分配信息来恢复原始的多播数据。

在SCMA网络中提出基于分层编码的分层多播策略，并公式了该系统的容量表达式。为了进一步提高系统容量，在资源受限和保证最小基本层速率需求的基础上，提出了最大化系统容量的最优化问题。考虑到最优化问题是一个计算复杂度高的混合组合的问题。为了降低计算复杂度，因此，提出了一个低复杂度的次优化算法。

实验仿真过程：

如图4所示，仿真了多播用户数与系统容量的关系。从仿真可以看到采用分层多播策略时的系统容量随着用户数量的增加，系统容量首先提升而后降低。但是，针对同一组网络来说，采用分层编码策略的算法的系统容量仍然高于采用传统多播策略的系统容量(CM-SCMA或CM-OFDMA)。这是因为在增强层用户集合

中的用户数量，随着多播组内用户数量的增加，先增加而后减少，这是因为多播组内差用户数量的增加造成的。并且，很明显的可以看到，SCMA网络的多播容量高于OFDMA网络的多播容量。这也意味着，与采用EPCRA算法相比，本发明提出的FSA算法能够获得更多的系统功效。

首先定义用户集合

的数量与用户集合

的比值为

表示在多播组中有多少用户可以获得较高质量的QoS。图5仿真了用户数量与λ的关系。从仿真可以看到，当多播组内用户数量增加时，λ将不断减少。这是因为基本层数据需要首先保证被每个多播用户所正确接收，因此在资源分配中也是首先保证这部分数据的传输。当用户数目增多时，就需要分配更多的资源用来传输基本层数据，因此也就相应减少了分配给增强层数据进行传输的物理资源，使得能够获得增强层数据的用户数减少。

图6和图7仿真了上述提出的算法的平均降解概率随用户数量和基站总功率变化的情况。图5显示随着用户数量的增加，基本层消耗的物理层资源和平均降解概率都在增加。这是由于随着用户数量的增多，差用户出现的概率也在增加，因此需要更多物理资源分配给基本层来传输，因此用来传输增强层数据的物理资源减少，因此平均降解概率提升。图7显示随着基站总功率的增加，平均降解概率也在降低。这是因为，当基站总功率增加时，能提供越少的物理资源来满足基本层速率需求，因此能够提供给增强层的物理资源也就越多。在相同的条件下，SCMA网络的平均降解概率要低于OFDMA网络的平均降解概率。

图8仿真了基站总功率与系统容量的关系。当传输功率为26dBm时，FSA-SCMA的系统容量接近CMS-SCMA。这是因为在多播中的最差用户还没有达到接收基本层数据的速率需求，因此没有物理资源能够提供给用户传输增强层的数据。与图5类似，在SCMA网络中的系统容量要优于OFDMA网络，尤其是在有较高的基站发射功率时，更加明显。

图9仿真了基本层需求的最小速率与系统容量的关系。当

增加时，系统需要较多的物理资源。因此减少了提供给增强层传输的物理资源，所以系统容量降低。与此同时，可以看到最差用户的信道质量对系统的容量影响较大。在SCMA网络和OFDMA网络中，当所有的物理资源用来传输基本层数据时，分层多播策略降低到传统多播策略即

从以上仿真可以看到，在采用多播传输技术上SCMA网络要优于OFDMA网络，这是由于SCMA网络有负载特性，并且较OFDMA网络，SCMA网络能更有效的利用频率资源。

对于本领域技术人员而言，显然能了解到上述具体事实例只是本发明的优选方案，因此本领域的技术人员对本发明中的某些部分所可能作出的改进、变动，体现的仍是本发明的原理，实现的仍是本发明的目的，均属于本发明所保护的范围。

Claims (1)

1.一种SCMA网络容量分析与分层多播资源分配方法，其特征在于，包括：

1)、将原始多播数据进行分层，分为基本层数据和增强层数据；所述基本层数据为多播组中的所有用户能够正确接收的数据；所述增强层数据为根据多播组中不同信道质量的用户采用差异化接收的数据；

2)、对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配；

3)、对码本分配和功率分配后的基本层数据和增强层数据进行SCMA编码后，通过频率选择信道；

所述步骤2)对基本层数据和增强层数据进行码本分配和功率分配具体包括：

2.1、定义基本层数据的多播速率为：

其中，

表示基本层数据需要的速率，h_u,k表示用户u在子载波k上的信道增益，其中

η表示路损常数，d_u表示从用户u到基站的距离，α表示路损系数，ρ_u,k表示用户u在子载波k上的瑞利衰落，P_b表示传输基本层的总功率，该功率是均等的分配给LB个码字中，δ²表示广播信道中在码本上的噪声功率；

表示一组多播用户，该组多播用户有相同的QoS需求，并且每个用户采用单天线，系统带宽可以被分为一组子载波集合，用

表示系统带宽可以被分为一组子载波集合，C＝{1,...c,...,C}表示码本集合，

表示分配给基本层数据的码本集合；

2.2、定义增强层数据的多播速率为：

其中，P_e表示传输增强层的总功率，该功率是均等的分配给LE个码字中；

2.3、系统的容量表示为：

其中，所述

表示满足增强层最小速率需求的用户集合，

其中，

为每个子载波的信道增益；

所述系统的容量最大化分配为：

3.1、容量最大化分配公式为：

满足:

P_b+P_e≤P,P_b≥0,P_e≥0 (c)

其中，ε＝{1，...e,...,E}表示分配给增强层数据的码本集合；限制条件(b)表示码本集C中的同一码本不能同时分配给基本层和增强层数据；由于总的传输功率有限，P_b和P_e需要满足限制条件(c)；限制条件(d)表示保障用户需求的基本层和增强层的最小速率；

3.2、采用次优化快速算法(FSA)获取最优化问题容量最大化分配公式的解；

所述次优化快速算法(FSA)为：

4.1、码本分配阶段：

设基站的总功率P是等功率分配给所有的码本，码本分配问题公式为：

minB；

满足:

然后计算在每个码本上的多播速率，并将其按降序排列，按从高到低的次序选择码本，并计算和速率直到满足基本层速率为止；

4.2、功率分配阶段：

功率分配可以公式为：

minP_b

满足:

当分配给基本层的码本集

被确定后，R_B重新公式为：

上式是一个对数函数，并且函数是单调递增的，所以，当

时，P_b得到最小值；

4.3、最后，功率分配问题转换为解决P_b的B阶多项式的问题，表示为：

其中，

是一个常数；

利用Matlab来求解P_b，增强层的功率P_e＝P-P_b；之后，设置

ε,P_b和P_e，并获得系统的容量。

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