本發(fā)明屬于無線通信，具體涉及一種基于外信息分析的物聯(lián)網(wǎng)多用戶功率分配方法的設(shè)計。

背景技術(shù)：

1、在 noma系統(tǒng)中，各用戶信號通過功率域復(fù)用技術(shù)在相同資源塊中被分配以不同的功率等級，并最終以疊加方式在發(fā)送與接收端間進(jìn)行傳輸。而通過 sic檢測算法，接收端得以將不同用戶的信號分離出來，以確保對個用戶數(shù)據(jù)的正確接收。自然而然地，如何在權(quán)衡和速率，公平性以及可靠性等關(guān)鍵性能指標(biāo)的前提下，基于約束條件為各用戶分配合適的功率等級，是 noma系統(tǒng)設(shè)計中十分關(guān)鍵的問題。

2、目前常見的基本 noma系統(tǒng)功率分配算法主要包括固定功率分配算法（ fixed?per- group?power?allocation， fpa），窮舉搜索功率分配算法（ exhaustive?search?power? allocation， espa），基于比例公平（ proportional?fairness， pf）準(zhǔn)則的分?jǐn)?shù)階功率分配算法（ fractional?transmit?power?allocation， ftpa），以及注水（ water-fifilling）功率分配算法等。

3、其中， fpa算法通過預(yù)先為每個用戶設(shè)定一致的比例系數(shù)以完成功率資源的分配。而固定的用戶間功率比例系數(shù)，確保了發(fā)送端能夠快速靈活地完成功率的分配，因此 fpa算法能夠有效降低計算開銷。不過雖然其實現(xiàn)非常簡單，但 fpa算法的性能并非是最優(yōu)的。

4、而 espa算法通過窮舉遍歷所有可能的分配方案，選出具有最優(yōu)性能的解。因此，通過 espa算法能夠確保得到最優(yōu)解。但與此同時，由于其具有的窮舉運(yùn)算的特性，當(dāng)用戶數(shù)量較大時， espa算法的復(fù)雜度將變得難以接受。這使得 espa算法的實現(xiàn)較為困難。

5、注水功率分配算法是基于迭代注水原理實現(xiàn)的，其主要思想是將功率基于用戶的信道條件進(jìn)行自適應(yīng)分配，即給信道條件更好的用戶分配更高的功率，給信道條件更差的用戶分配更少的功率，這一策略可以有效提升系統(tǒng)性能。相比于 fpa與 espa，注水功率分配算法以較低的計算復(fù)雜度來換取次優(yōu)的系統(tǒng)性能，但該算法并未著重考慮用戶間公平性，其邊緣用戶的性能相對較差，而且所獲得的系統(tǒng)性能沒有下限支撐。不過在一些用戶數(shù)較多的復(fù)雜場景，作為一種低復(fù)雜度算法，注水功率分配算法仍不失為一種可行，高效的技術(shù)方案。

6、上述功率分配算法的討論往往是基于下行系統(tǒng)展開的。而復(fù)雜的功率分配算法需要完整信道狀態(tài)信息（ channel?state?information， csi），或是涉及公平性度量的計算，因此在上行 noma系統(tǒng)中，接入點（ access?point， ap）與用戶設(shè)備（ user?equipment， ue）間需要進(jìn)行充分的協(xié)調(diào)后才能開始信息傳輸，而這一過程往往伴隨著額外的開銷。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有功率分配方法多基于下行系統(tǒng)展開以及復(fù)雜的功率分配算法伴隨著額外的開銷的問題，提出了一種基于外信息分析的物聯(lián)網(wǎng)多用戶功率分配方法。

2、本發(fā)明的技術(shù)方案為：一種基于外信息分析的物聯(lián)網(wǎng)多用戶功率分配方法，包括以下步驟：

3、s1.根據(jù) noma系統(tǒng)的信道模型，分析 noma系統(tǒng)的可達(dá)速率區(qū)域，得到最優(yōu)功率分配問題；

4、s2.計算得到 noma系統(tǒng)中譯碼模塊的外信息，根據(jù)所述譯碼模塊的外信息利用 exit?char分析工具進(jìn)行分析得到誤碼率；

5、s3.基于最優(yōu)功率分配問題和誤碼率，計算得到各接入用戶所需的信干噪比等級；

6、s4.根據(jù)各接入用戶所需的信干噪比等級，計算得到各接入用戶所需的總功率，完成用戶功率分配。

7、本發(fā)明的有益效果是：

8、本發(fā)明在提升系統(tǒng)和速率的同時，能夠支持靈活的用戶速率分配，有助于提高用戶間公平性，具有更低的誤碼率。

9、作為優(yōu)選，步驟s1中所述的 noma系統(tǒng)的信道模型包括 noma多址接入信道模型和 noma廣播信道模型。

10、作為優(yōu)選，所述 noma多址接入信道模型包括接入點和用戶設(shè)備，信號由用戶設(shè)備傳輸?shù)浇尤朦c；

11、所述 noma多址接入信道模型中接入點接收到用戶設(shè)備信號的信干噪比的計算公式為：

12、

13、其中，表示 noma多址接入信道模型中第個接入用戶信號的信干噪比；表示接入點到第個接入用戶的信道系數(shù)；表示 noma多址接入信道模型中第個接入用戶的信號發(fā)射功率；表示噪聲單邊功率譜密度；表示信號帶寬；表示弗羅貝尼烏斯范數(shù)。

14、作為優(yōu)選，所述 noma廣播信道模型包括接入點和用戶設(shè)備，信號由接入點傳輸?shù)接脩粼O(shè)備；

15、所述 noma廣播信道模型中用戶設(shè)備接收信號的信干噪比的計算公式為：

16、

17、其中，表示 noma廣播信道模型中第個接入用戶接收信號的信干噪比；表示接入點到第個接入用戶的信道系數(shù)；表示 noma廣播信道模型中接入點為第個接入用戶分配的信號發(fā)射功率；表示噪聲單邊功率譜密度；表示信號帶寬。

18、作為優(yōu)選，步驟s1中所述 noma系統(tǒng)的可達(dá)速率區(qū)域包括多址接入信道可達(dá)速率區(qū)域和廣播信道可達(dá)速率區(qū)域。

19、作為優(yōu)選，所述最優(yōu)功率分配問題的表示公式為：

20、

21、其中，表示所有接入用戶總數(shù)；表示第個接入用戶所需的信干噪比等級；表示最小的總功率；表示第個接入用戶所需的總功率；表示經(jīng)濾波器放大后第個接入用戶接收信號的信干噪比。

22、作為優(yōu)選，所述步驟s2具體包括以下步驟：

23、s21.計算得到 noma系統(tǒng)中譯碼模塊的外信息，所述外信息包括輸入外信息和輸出外信息；

24、所述輸入外信息的計算公式為：

25、

26、其中，表示譯碼模塊的輸入外信息，表示積分變量，表示指數(shù)函數(shù)，表示信道的awgn噪聲方差；

27、所述輸出外信息的計算公式為：

28、

29、其中，表示譯碼模塊的輸出外信息，表示信道的輸入碼本，表示信道的輸出碼本，表示條件概率密度；

30、s22.將輸入外信息和輸出外信息輸入 exit?char分析工具，繪制輸入外信息和輸出外信息的曲線，并分析外信息的收斂性，輸出得到誤碼率。

31、作為優(yōu)選，所述步驟s3包括以下公式：

32、當(dāng)最優(yōu)功率分配問題的表示公式中存在：

33、

34、時，所需總功率最小，此時，各接入用戶所需的信干噪比等級的計算公式為：

35、

36、其中，表示碼字長度；表示調(diào)制維度；表示信道編碼的碼率；表示信號歸一化等效帶寬；表示誤碼率；表示有限長可達(dá)碼率函數(shù)的反函數(shù)，，表示歸一化帶寬的連續(xù)信道容量；表示信干噪比；表示信道散度；表示高斯函數(shù)的反函數(shù)。

37、上述優(yōu)選方案的有益效果是：

38、本發(fā)明考慮到上行系統(tǒng)與下行系統(tǒng)，并且綜合了外信息分析實現(xiàn)簡單，能夠保證較高的平均吞吐量。

39、作為優(yōu)選，步驟s4中所述各接入用戶所需的總功率的計算公式為：

40、

41、其中，表示第個接入用戶所需的總功率，表示第個接入用戶的信道系數(shù)，表示接收天線的數(shù)量，表示弗羅貝尼烏斯范數(shù)。