[发明专利]一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法

权利要求书

1.一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据SCMA上行链路系统模型，为用户码本建立关于系统吞吐量的最优化模型：

步骤1.1，根据SCMA上行链路系统模型，推导单个正交子载波的信道容量计算公式：

其中，W_k为第k个正交子载波频谱带宽大小，ξ_k代表在第k个正交子载波上复用了哪些用户的集合，h_j,k表示在第k个正交子载波上第j个用户的信道系数，σ_j,k表示第j个用户是否占用第k个正交子载波，若σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个正交子载波，若σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个正交子载波，p_j,k为在第k个正交子载波上第j个用户的发送能量，N₀为加性高斯白噪声；

步骤1.2，根据SCMA上行链路系统模型，J个用户通过复用K个正交子载波进行信号传输，每两个正交子载波之间的数据不会产生干扰，可将SCMA上行链路系统每个正交子载波的信道容量进行累加得到SCMA上行链路系统的吞吐量，计算公式如下：

步骤1.3，建立SCMA上行链路系统吞吐量的最优化模型：

其中，约束条件为：第一，对于任意第k个正交子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个正交子载波所能够容纳的用户数d_k；第二，对于任意第j个正交子载波，σ_j,k累加之后得到的值为每个用户所占正交子载波个数μ_j；第三，矩阵σ＝{σ_j,k}的任意一个元素值的大小非零即一；

步骤2，根据SCMA上行链路系统吞吐量的最优化模型为用户分配合适的码本，具体步骤如下：

步骤2.1，初始化：将行数为J，列数为K的矩阵σ＝{σ_j,k}的各个元素置0，即σ_j,k＝0，其中j＝1,2,…,J；k＝1,2,…,K；其中矩阵σ可表示为J个用户占用K个SCMA上行链路系统正交子载波的使用情况，以σ_j,k＝1表示第j个用户占用了第k个正交子载波，σ_j,k＝0表示第j个用户未占用第k个正交子载波；

为每个正交子载波所能够容纳的用户数d_k设置初始值d_r，即d_k＝d_r；其中d_r的值为具体如下：

其中，d_r代表每个正交子载波上复用的用户的个数，L为SCMA上行链路系统每个用户所占正交子载波的个数，K为SCMA上行链路系统的正交子载波个数；

为每个用户所占正交子载波数μ_j设置初始值L，即μ_j＝L；

设置初始的用户码本数为c，且c＝J，其中，J为SCMA上行链路系统所容纳的最大用户数，其值为

步骤2.2，根据系统吞吐量的最优化模型确定信道系数h_j,k，根据该信道系数的坐标k、j来判断d_k与μ_j的值；

步骤2.3，若选取到的该信道系数所关联的0＜μ_j≤L且0＜d_k≤d_r，执行μ_j＝μ_j-1，d_k＝d_k-1，并且设置σ_j,k＝1，若μ_j＝0或d_k＝0，则跳到步骤2.5；

步骤2.4，判断该信道系数所关联的μ_j是否为0；若μ_j＝0，则说明该用户已完成码本的选择，将用户码本数减1，即c＝c-1，若μ_j≠0说明该用户未完成码本的选择，跳到步骤2.2；

步骤2.5，判断用户码本数c的值，若用户码本数c＝0，则说明已确定用户SCMA码本，程序终止；否反之，则返回步骤2.2；

步骤3，计算基站应为SCMA上行链路系统子载波分配的频谱带宽：具体计算公式如下：

其中，δ_k为SCMA上行链路系统子载波的等效频谱带宽，K为SCMA上行链路系统的正交子载波个数，p为基站接收到的各个用户的功率，为每个子载波所能够容纳的用户数，N₀为加性高斯白噪声，B_j为SCMA上行链路系统中第j个用户所要达到的速率要求。

2.根据权利要求1所述的一种基于SCMA多址接入机制的基站频谱带宽分配方法，其特征在于：在步骤3中，定义一种基于SCMA上行链路系统基站频谱带宽与小区内用户业务传输速率要求的映射关系，即等效频谱带宽；

等效频谱带宽的具体推导如下：

根据步骤2为用户分配的码本，确定了σ_j,k的值，则忽略了σ_j,k的SCMA上行链路系统容量为：

令W_k＝W，上式改写为：

令上式可简化为：

其中，d_r代表每个正交子载波上复用的用户的个数，W代表SCMA上行链路系统中正交子载波频谱带宽大小；根据SCMA上行链路系统的可接入的最大用户数以及正交子载波个数K，和每个用户所占正交子载波个数L，得出

根据上式，能够进一步得到SCMA上行链路系统容量上界的表达式：

对上式进行泰勒级数展开之后，C_sum重新表达为

当SCMA上行链路系统中的所有用户都需要满足其自身的QoS要求时，即每一个用户都需要满足其在信道的传输速率，以B₁，B₂，…，B_J来表示SCMA上行链路系统中J个用户所要达到的速率要求，则SCMA上行链路系统所要为每个正交子载波分配的等效频谱带宽为：