[发明专利]一种基于NOMA的LEO卫星通信系统频点分配方法

权利要求书

1.一种基于NOMA的LEO卫星通信系统频点分配方法，其特征在于：

步骤一，将小区边缘用户与小区中心用户配对组成NOMA集群；

步骤二，定义用户对频点的占用情况为状态，系统为用户分配的频点为动作，用户在某一信道上的供需比或者供需方差当作奖励，利用Q-Learning算法迭代出最优频点分配策略，为各边缘用户分配载波频点，从而与中心用户进行功率域复用，训练出最优频点分配策略；

步骤三，以最大化NOMA集群传输速率为目标建立优化模型，根据优化模型求解NOMA集群内边缘用户与中心用户的功率分配因子；

步骤三优化模型目标函数定义包括：定义目标函数为max C_total：

其中C_total表示簇区中的NOMA集群内用户的总速率，N＝{N₁,N₂,…,N_m}表示NOMA集群集合，和分别表示集群N_i中的中心用户和边缘用户，为集群N_i的载波带宽，为集群N_i的载波发射功率，为集群N_i内中心用户的功率分配因子，为集群N_i内中心用户的链路损耗，为集群N_i内中心用户的信道衰减，集合{a,b,c,d}表示四个覆盖波束形成的四个重叠覆盖区域，表示区域a中的第j个边缘用户接入到载波频点k上，P_max为卫星发射端功率上限；

步骤三中根据优化模型求解NOMA集群内边缘用户与中心用户的功率分配因子，包括将优化模型由非凸优化转换为凸优化，从而求解出频率分配因子：

步骤3.1，首先将中心用户接收信噪比定义为信号发射功率为则优化目标函数简化为：

步骤3.2，利用对数来逼近目标函数：

将自变量进行换元定义使目标函数C_sum转换为对数形式，目标函数的下限为：

其中，

变换后的优化问题定义为：

构造拉格朗日函数定义为：

使可以得到迭代计算每次迭代中更新拉格朗日乘子法乘子用于下一次迭代计算，拉格朗日乘子μ的更新如下：

其中，μ为拉格朗日乘子，μⁿ⁺¹为下一次迭代计算出来的拉格朗日乘子，μⁿ为当前代入计算的乘子值，δ为更新步长；

计算出各集群中中心用户的发射功率进行归一化转换后计算出边缘用户的发射功率。

2.根据权利要求1所述的基于NOMA的LEO卫星通信系统频点分配方法，其特征在于：步骤一的中心用户与边缘用户配对方法为：

当边缘用户处于2个波束覆盖重叠部分时，边缘用户可以与所在波束的任一中心用户配对并进行功率域复用，边缘用户载波将从中心用户所处波束的载波集合中选取；

当边缘用户处于4个波束覆盖重叠部分时，边缘用户不与其他中心用户配对，单独为边缘用户分配一个频点。

3.根据权利要求1所述的基于NOMA的LEO卫星通信系统频点分配方法，其特征在于：步骤二中定义状态包括：将边缘对频点的占用情况当作状态，构建状态S_t：

其中，矩阵行数N1为边缘用户数量，列数K为可用频点数量，矩阵内w_n,k＝{0,1}，w_n,k＝1表示将频点k分配给边缘用户n，w_n,k＝0则表示未分配；

动作定义为：

a_t＝{m|m∈A(s)}

动作的选取规则是从可用频点集合A(s)中以概率ε随机选取动作进行探索，以概率1-ε选取最大Q值的动作进行利用；

其中，A(s)为可用频点集合，m为从集合中选取并分配给边缘用户的载波频点，Q值为动作带来的奖励；

将奖励函数定义为：

通信资源富余时，

通信资源匮乏时，

其中，C_n为用户的请求速率，为用户在载波k上的可达速率，B_k为载波k的带宽，S为用户在载波k上的接收信号强度，NOI为用户在载波k上的接收噪声强度。