[发明专利]基于博弈论的SCMA系统码本和功率分配方法

权利要求书

1.一种基于博弈论的SCMA系统码本和功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：设定系统模型，假设在一个SCMA下行链路蜂窝系统下，考虑一个给定的SCMA block正交资源块上有M个正交子载波，SCMA编码器中有H个非零元，则相应的传输层数即码本数为下行用户数为K，每个用户只使用一个传输层进行该用户数据传输，则K＝J，且J个码本与M个正交子载波之间的对应关系满足关联矩阵F，F为一个J列M行矩阵，每列中有H个非零元，F中的每一列对应一个码本，每一行代表一个正交子载波编号，每行中非零元所在位置表示复用该行对应正交子载波的用户；

S2：假定基站将发射功率平均分配给所有正交子载波，然后在每个传输层j上单独进行码本分配，j∈{1,2,...,J}，求得即将每个码本中的H个非零元所关联的H个正交子载波到各用户的干扰与噪声功率之和求和，并将最小和值下的正交子载波组合m^*对应的码本X_k分配给用户U_k，经过多次迭代，每个用户轮流分配码本，直至所有码本分配完毕，此时，码本与用户一一对应，其中，表示传输层j上用户U_k在正交子载波m上的干扰与噪声功率之和，m∈{1,2,...,M}，k∈{1,2,...,K}；

S3：基于博弈论，建立非合作博弈模型对每个用户进行功率分配，求得基站将功率分配给满足上式的码本l，且基站在该码本上分配的功率大小满足对该用户剩余的功率值如果剩余功率值为负数表示该用户没有足够的功率来满足则将分配给该码本，经过多次迭代，直至所有功率分配完毕，其中，为策略函数，表示用户U_k在码本X_k上分配的功率，表示实际有效的信道增益，τ表示代价因子，C表示码本分配矩阵，如果码本X_k分配给用户U_k，那么否则为0，表示用户U_k的最大发射功率。

2.如权利要求1所述的基于博弈论的SCMA系统码本和功率分配方法，其特征在于，步骤S2中具体包括如下步骤：

S21：将某时刻上行链路接受端对应的用户U_k的接收到的信息表示为：

其中，设第k个用户U_k使用的码本为X_k，用户数据经过SCMA编码器映射后的码字为x_k＝(x_k1,x_k2,...,x_kN)(x_k∈X_k)，p_k表示分配给用户U_k的发射功率，h_k＝(h_k1,h_k2,...,h_kN)^H表示用户U_k到各正交子载波上的信道增益，w_k表示加性噪声，是一个方差为δ²的零均值高斯随机变量；

S22：假设用户U_k到每个正交子载波上的加性噪声w_k都相等，且h_k是路径衰落因子和频率选择性衰落因子的乘积，则j层中用户U_k接收端的的信干噪比SINR为：

其中表示用户U_k在接收端的干扰与噪声功率之和；||x_k||²表示相应的信号功率；

S23：所有用户在单位带宽内的和速度为：

S24：假设所有用户统一采用QAM调制方式，给定用户的误码率，并给定已知的干扰向量，则下行链路中对j层上的各正交子载波的分配满足：

maxpk,jf(pk,p-k)=maxpkmaxj[-δ2+Σk=1Khkpkhk,jpk-αkhk,jpk];]]>

S25：假设j层上用户U_k在正交子载波m上的SINR为时，净效用达到最优，则j层在正交子载波m上分配的功率为

代入上式可得

argmaxk[-1r~-αkr~Ik,j]=argminkIk,j]]>

则即将j层上干扰和噪声功率之和求和最小的正交子载波组合m*对应的码本X_k分配给用户U_k，

通过基站测试获知各用户的干扰水平I_k,j和最大发射功率将各正交子载波随机预分配给用户，所有信道按如下方案预分配：A＝{1,2,...,K}，从A中找到用户U_k对应的未分配的正交子载波组合m^*，将m^*对应的码本X_k分配给用户U_k，同时，A＝A-{m^*}，经过多次迭代，每个用户轮流分配码本，直至所有码本分配完毕，此时码本与用户一一对应。

3.如权利要求2所述的基于博弈论的SCMA系统码本和功率分配方法，其特征在于，步骤S3中具体包括如下步骤：

S31：定义码本分配矩阵为如果码本X_k分配给用户U_k，那么否则为0；假设所有用户都采用QAM调制，则在速率下，用户U_k对应的码本X_k下的误比特率为

S32：采用博弈论进行功率分配，其收益函数为：

Ωk=Σk=1KΩkXk=Σk=1KRkXk(pkXk)1/2=Σk=1Klog(1+gk,XkpkXk)(pkXk)1/2]]>

其中，Ω_k为用户U_k的和功率效率函数，表示用户U_k在码本X_k上的的功率效率，表示实际有效的信道增益；

S33：同时考虑码本的分配，则收益函数为：

uk=Σk=1KckXkΩkXk=Σk=1KckXklog(1+gk,XkpkXk)(pkXk)1/2]]>

S34：引入代价因子τ，则非合作博弈模型为：

G:uk=argmaxΣPckXkQkXk-τgk,XkpkXk]]>

s.t.Σk=1KpkXk-Pmaxk≤0,∀k,]]>

RkXk,pkXk≥0,∀k]]>

Σk=1KckXk≤1]]>

S35：对所述非合作博弈模型进行Lagrange松弛，可得：

L(ckXk,pkXk)=Σk=1KckXkRkXk(pkXk)1/2-τgk,XkpkXk-Σk=1Kuk(Σk=1KpkXk-Pmaxk)-Σk=1KλXk(Σk=1KckXk-1)]]>

其中，u_k,为非负Lagrange因子；

S36：对上式进行求关于发射功率的一阶导数得：

∂L(ckXkpkXk)∂pkXk=ckXkpkXk(gk,Xk(pkXk)-1/21+gk,XkpkXk-12(pkXk)-1/2log(1+gk,XkpkXk))-τgk,Xk-uk≤0]]>

pkXk∂L(ckXk,pkXk)∂pkXk=0]]>

如果码本X_k没有分配给用户U_k，那么且

ckXkpkXk(gk,Xk(pkXk)-1/21+gk,XkpkXk-12(pkXk)-1/2log(1+gk,XkpkXk))-τgk,Xk-uk<0]]>

否则有成立，则

即基站将功率分配给满足此条件的码本l，且在该码本上分配的功率大小满足

对剩余的功率值如果剩余功率值为负数，则用户U_k没有足够的功率来满足因此将分配给该码本，经过多次迭代，直至所有功率分配完毕。