基于SCMA多址接入机制的资源分配算法研究

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现如今,移动通信接入设备的数量和数据规模飞速增长,传统正交多址接入技术的通信系统难以满足当前用户的需求。为了解决移动通信资源短缺等问题,需要采用新的多址接入技术。稀疏码分多址接入(Sparse Code Multiple Access,SCMA)技术是5G中全新的空口核心技术,在有效的提高整个系统传输容量的同时提高系统频谱的利用率,现如今对SCMA技术中无线资源分配方案比较少,相关的研究工作也是针对SCMA技术中码本设计方案和多用户检测技术展开进行的,本文主要的研究目标是优化基于SCMA多址接入机制的资源分配算法,主要的工作内容如下:对包括SCMA技术在内的一些新型多址接入技术的国内外研究现状进行了简单的介绍,以说明本课题的研究目的背景和意义。接着对SCMA技术以及相关的技术的原理进行说明,其中包括一些新型多址接入技术,以及SCMA的上下链路系统模型的构建,此外还介绍了一些SCMA码本设计的方案,最后分析了一些经典的资源分配方案。通过建立SCMA下行链路系统模型提出了两种SCMA系统资源分配的算法。在通信系统中的传输数据的总容量是判断整个通信方案的一个重要的指标,将通信系统中容量最大化作为优化目标,通过联合优化子载波分配和功率分配方案提出了一种最大化系统容量的资源分配方案,设定系统中用户传输速率需要满足最低用户服务质量速率的要求,来最大化系统中用户传输数据的总容量,同时也能增强系统的用户的公平性。在对问题求解时通过添加规范函数,采用松弛算法将子载波分配矩阵上的整数约束松弛到连续约束,然后应用优化的迭代分块连续下界最小化BSUM算法,将其收敛于松弛问题的局部最小值。在求解过程中循环更新子载波分配矩阵和功率分配矩阵,在更新过程中只有一个矩阵被更新时,另一个保持不变,这样就将问题转化为凸优化问题求解,通过迭代算法获得松弛问题的局部最优解。结果表明,本研究中所提出的算法在SCMA系统用户传输容量以及用户公平性两个方向都优于传统的随机码本平均功率分配算法。用户公平性在通信系统中也极为重要,本研究提出一种单个用户能量效率最大化的资源分配方案,采用固定变量的方法求解整个最优化问题。首先对系统中用户进行随机分配功率处理,按照用户分配完成的功率采用贪婪算法选择对应用户的码本,然后对系统中每个用户进行码本分配。在进行功率分配阶段,采用码本分配阶段分配好的码本,将功率分配问题转化为固定码本下单个用户的功率分配问题,再将优化问题转化拉格朗日对偶函数求解,对用户码本和功率分配问题重复进行迭代。本研究提出的算法可以有效提升系统中用户公平性性能,并且在应用场景中,单个用户能量效率最大化也可以提升整个传输系统的能量效率。
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