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TW201806421A - 功率分配方法以及使用所述方法的基地台 - Google Patents

功率分配方法以及使用所述方法的基地台 Download PDF

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TW201806421A
TW201806421A TW105124901A TW105124901A TW201806421A TW 201806421 A TW201806421 A TW 201806421A TW 105124901 A TW105124901 A TW 105124901A TW 105124901 A TW105124901 A TW 105124901A TW 201806421 A TW201806421 A TW 201806421A
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TW
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transmission power
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calculating
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王晉良
陳俊宇
陳怡蓁
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國立清華大學
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Publication date
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Abstract

本發明涉及一種功率分配方法及使用所述方法的基地台，適用於非正交多重接取（non-orthogonal multiple access，NOMA）系統中傳送訊息給至少兩個用戶設備的基地台。本發明之方法包括下列步驟：配置第一用戶設備的第一傳輸功率小於第二用戶設備的第二傳輸功率，其中第一用戶設備的通道增益大於第二用戶設備；依據第一傳輸功率計算第一用戶設備的第一系統容量，且依據第二傳輸功率計算第二用戶設備的第二系統容量；將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量；以及在最大化總系統容量的情況下計算第一傳輸功率與第二傳輸功率。

Description

功率分配方法以及使用所述方法的基地台
本發明是有關於一種功率分配方法，且特別是有關於一種在非正交多重接取（non-orthogonal multiple access，NOMA）下行傳輸系統中的功率分配方法及使用所述方法的基地台。
隨著科技的發展，由於NOMA系統在容量方面的顯著改善，其已成為下一代通訊系統發展的前景技術。
在NOMA系統當中，用戶多工可以在功率域中進行。具體而言，不同用戶的資料訊號可在傳送端透過適當的功率分配被疊加（例如，使用疊加編碼技術），並且可在接收端使用連續性干擾消除（successive interference cancellation，SIC）技術將綜合的多重用戶訊號分離開來。因此，不同用戶在NOMA系統當中可以透過相同的通道資源（例如，時間及頻率）傳送（或接收）資料。
然而，目前尚無理想的評估準則可用來發展NOMA系統適用的功率分配演算法。
雖然在具有兩個用戶的多輸入多輸出-非正交多重接取（multiple-input multiple-output non-orthogonal multiple access，MIMO-NOMA）系統中，已有提出考慮弱用戶之最低傳輸率需求（minimum rate requirement）來最大化總容量的功率配置演算法，但其中一個具有最佳效能的方法是使用高計算複雜度的二分（bisection）搜尋方法（即，迭代演算法），而另一個為基於取得弱用戶容量的下界（lower bound）來減少複雜度的次佳方法，但仍具有一些性能的損失。
因此，提供NOMA系統有效率且高效能的功率分配演算法仍為本領域技術人員所關心的議題之一。
本發明提供一種功率分配方法及使用所述方法的基地台，適用於NOMA系統中傳送訊息給至少兩個用戶設備的基地台。所述至少兩個用戶設備包括第一用戶設備與第二用戶設備。此方法包括下列步驟：配置第一用戶設備的第一傳輸功率小於第二用戶設備的第二傳輸功率，其中第一用戶設備的通道增益大於第二用戶設備；依據第一傳輸功率計算第一用戶設備的第一系統容量，且依據第二傳輸功率計算第二用戶設備的第二系統容量；將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量；在最大化總系統容量的情況下計算第一傳輸功率與第二傳輸功率，其中採用卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件取得最大化總系統容量的第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述採用KKT條件取得最大化總系統容量的第一傳輸功率與第二傳輸功率的步驟包括：設置第一系統容量為第一最低傳輸率需求，其中第一最低傳輸率需求為第一系統容量須達到之最小值；採用KKT條件計算最大化總系統容量的第一功率分配因子；以及依據第一功率分配因子計算第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述的KKT條件包括第一參數及第二參數，其中採用KKT條件計算最大化總系統容量的第一功率分配因子的步驟更包括：設置第一參數大於零，且設置第二參數等於零；以及依據KKT條件計算最大化總系統容量的第一功率分配因子。
在本發明的一實施例中，上述步驟更包括：依據第一傳輸功率與第二傳輸功率取得第一系統容量與第二系統容量；以及將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量。
在本發明的一實施例中，上述採用KKT條件取得最大化總系統容量的第一傳輸功率與第二傳輸功率的步驟包括：設置第二系統容量為第二最低傳輸率需求，其中第二最低傳輸率需求為第二系統容量須達到之最小值；採用KKT條件計算最大化總系統容量的第二功率分配因子；以及依據第二功率分配因子計算第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述的KKT條件包括第一參數及第二參數，其中採用KKT條件計算最大化總系統容量的第二功率分配因子的步驟更包括：設置第一參數等於零，且設置第二參數大於零；以及依據KKT條件計算最大化總系統容量的第二功率分配因子。
在本發明的一實施例中，上述步驟更包括：依據第一傳輸功率與第二傳輸功率取得第一系統容量與第二系統容量；以及將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量。
本發明提供一種基地台，適用於NOMA系統。此基地台包括收發電路、儲存電路及處理電路。收發電路用以傳送訊息給至少兩個用戶設備，其中所述至少兩個用戶設備包括第一用戶設備與第二用戶設備。儲存電路儲存多個程式碼。處理電路耦接收發電路和儲存電路，並且經配置以存取程式碼以執行如下操作：配置第一用戶設備的第一傳輸功率小於第二用戶設備的第二傳輸功率，其中第一用戶設備的通道增益大於第二用戶設備；依據第一傳輸功率計算第一用戶設備的第一系統容量，且依據第二傳輸功率計算第二用戶設備的第二系統容量；將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量；以及在最大化總系統容量的情況下計算第一傳輸功率與第二傳輸功率，其中採用KKT條件取得最大化總系統容量的第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述處理電路進一步存取所述程式碼以執行：設置第一系統容量為第一最低傳輸率需求，其中第一最低傳輸率需求為第一系統容量須達到之最小值； 採用KKT條件計算最大化總系統容量的第一功率分配因子；以及依據第一功率分配因子計算第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述的KKT條件包括第一參數及第二參數。處理電路進一步存取所述程式碼以執行：設置第一參數大於零，且設置第二參數等於零；以及依據KKT條件計算最大化總系統容量的第一功率分配因子。
在本發明的一實施例中，上述的處理電路進一步存取所述程式碼以執行：依據第一傳輸功率與第二傳輸功率取得第一系統容量與第二系統容量；以及將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量。
在本發明的一實施例中，上述的處理電路進一步存取所述程式碼以執行：設置第二系統容量為第二最低傳輸率需求，其中第二最低傳輸率需求為第二系統容量須達到之最小值；採用KKT條件計算最大化總系統容量的第二功率分配因子；以及依據第二功率分配因子計算第一傳輸功率與第二傳輸功率。
在本發明的一實施例中，上述的KKT條件包括第一參數及第二參數。處理電路進一步存取所述程式碼以執行：設置第一參數等於零，且設置第二參數大於零；以及依據KKT條件計算最大化總系統容量的第二功率分配因子。
在本發明的一實施例中，上述的處理電路進一步存取所述程式碼以執行：依據第一傳輸功率與第二傳輸功率取得第一系統容量與第二系統容量；以及將第一系統容量與第二系統容量相加以取得總系統容量。
基於上述，本發明的功率分配方法以及使用所述方法的基地台，基地台可因應不同用戶設備的需求，將用戶設備的功率分配分成兩種情況，此兩種情況皆能夠保證相關用戶設備的系統容量達到最低傳輸率需求，且同時能最大化另一個用戶設備的系統容量。
為讓本發明的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
在NOMA系統當中，基地台可在功率域（power-domain）上將同一通訊資源（例如，時域或頻域等等）分享給多個用戶共同使用，以有效地提升頻譜使用效能。具體而言，基地台透過將欲傳送給多個用戶的訊號利用重疊編碼（superposition coding）疊加並傳送。多個用戶可在接收端使用SIC技術將用戶的訊號分離。關於在NOMA系統中使用的SIC技術將參照圖1來做說明。
圖1繪示用戶在接收端使用SIC技術的示意圖。請參照圖1，假設圖1的下行鏈路系統100具有基地台110和兩個用戶設備121、122，用戶設備121、122位於基地台110的涵蓋範圍130內，其中假設用戶設備121具有較大的通道增益，而用戶設備122具有較小的通道增益。
在SIC技術中，為了能夠在接收端（即，用戶設備121、122）正確地解調出基地台110傳送的訊號，基地台110可對傳送給用戶設備121、122的訊號進行功率分配，其中為弱用戶的訊號配置較多的傳輸功率，而為強用戶的訊號配置較少的傳輸功率。
在本實施例中，定義具有較大通道增益的用戶設備121為強用戶，且定義具有較小通道增益的用戶設備122為弱用戶。因此，基地台110將為用戶設備122的訊號配置較多的傳輸功率，而為用戶設備121的訊號配置較少的傳輸功率。於是，基地台110向用戶設備121、122傳送的訊號
Figure TW201806421AD00001
例如可表示為以下方程式（1）。
Figure TW201806421AD00002
， 方程式（1） 其中
Figure TW201806421AD00003
表示為基地台110欲傳送給用戶設備121的訊號，
Figure TW201806421AD00004
表示為基地台110欲傳送給用戶設備122的訊號，而
Figure TW201806421AD00005
和
Figure TW201806421AD00006
則分別表示基地台110對訊號
Figure TW201806421AD00007
和
Figure TW201806421AD00008
的傳輸功率分配，其中傳輸功率
Figure TW201806421AD00009
小於
Figure TW201806421AD00010
。
在用戶設備121、122端接收的訊號
Figure TW201806421AD00011
和
Figure TW201806421AD00012
則可分別表示為以下方程式（2）及（3）。
Figure TW201806421AD00013
方程式（2）
Figure TW201806421AD00014
方程式（3） 其中
Figure TW201806421AD00015
表示為基地台110和用戶設備121之間的傳輸通道，
Figure TW201806421AD00016
表示為基地台110和用戶設備122之間的傳輸通道，
Figure TW201806421AD00017
和
Figure TW201806421AD00018
則分別表示用戶設備121和122接收到的雜訊，其中
Figure TW201806421AD00019
和
Figure TW201806421AD00020
例如為附加白高斯雜訊（additive white Gaussian noise，AWGN），但本發明不限於此。
在SIC技術中，假設用戶設備121收到訊號
Figure TW201806421AD00021
之後能以完美的SIC方法將來自用戶設備122訊號
Figure TW201806421AD00022
之干擾移除（例如，圖1的區塊141），用戶設備121可以在無其他用戶的干擾訊號的情況下，解調出基地台110欲傳送給用戶設備121的訊號
Figure TW201806421AD00023
（例如，圖1的區塊142）。另一方面，用戶設備122收到訊號
Figure TW201806421AD00024
之後，由於基地台110將訊號
Figure TW201806421AD00025
配置較少的傳輸功率
Figure TW201806421AD00026
，使得用戶設備122可在將訊號
Figure TW201806421AD00027
視為雜訊的情況下直接解調出基地台110欲傳送給用戶設備122的訊號
Figure TW201806421AD00028
（例如，圖1的區塊143）。
在成功的解調出訊號
Figure TW201806421AD00029
及
Figure TW201806421AD00030
之後，用戶設備121與122的系統容量可分別表示為以下方程式（4）及（5）。
Figure TW201806421AD00031
方程式（4）
Figure TW201806421AD00032
方程式（5）
值得注意的是，依據方程式（4）及（5），顯示出用戶設備121與122的系統容量
Figure TW201806421AD00033
、
Figure TW201806421AD00034
與傳輸功率
Figure TW201806421AD00035
、
Figure TW201806421AD00036
有關。也就是說，對於訊號
Figure TW201806421AD00037
、
Figure TW201806421AD00038
的功率分配將會直接的影響用戶設備121、122的系統容量。因此，適當的為欲傳輸給用戶設備121、122的訊號
Figure TW201806421AD00039
、
Figure TW201806421AD00040
執行功率分配，對於用戶設備121、122的系統容量而言是相當重要的。
在本發明的實施例中，為了能夠進一步地提升NOMA系統的總系統容量，將在能夠最大化總系統容量、且有使用者功率與傳輸率需求之限制的情況下，為訊號
Figure TW201806421AD00041
和
Figure TW201806421AD00042
分配傳輸功率
Figure TW201806421AD00043
和
Figure TW201806421AD00044
。
在此情況下，最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00045
（其中
Figure TW201806421AD00046
）的最佳化問題，可以表示為：
Figure TW201806421AD00047
方程式（6a）
Figure TW201806421AD00048
方程式（6b）
Figure TW201806421AD00049
方程式（6c）
Figure TW201806421AD00050
方程式（6d） 其中
Figure TW201806421AD00051
表示總傳輸功率，
Figure TW201806421AD00052
表示系統容量
Figure TW201806421AD00053
之最低傳輸率需求，
Figure TW201806421AD00054
表示系統容量
Figure TW201806421AD00055
之最低傳輸率需求。關於方程式（6c），表示依據NOMA系統的原理，將具有較小通道增益的用戶設備122配置較多的傳輸功率
Figure TW201806421AD00056
，而將具有較大通道增益的用戶設備121配置較少的傳輸功率
Figure TW201806421AD00057
，使得
Figure TW201806421AD00058
。關於方程式（6d），表示每一個用戶設備的系統容量必須符合對應的需求量以保證在NOMA系統中的服務品質（quality of service，QoS）要求。
為了驗證最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00059
的最佳化問題確實有解，本發明實施例證明總系統容量
Figure TW201806421AD00060
為一嚴格遞增函數。在本實施例中，相對於總傳輸功率
Figure TW201806421AD00061
，將在傳輸功率
Figure TW201806421AD00062
及
Figure TW201806421AD00063
之間定義一功率分配因子
Figure TW201806421AD00064
（其中
Figure TW201806421AD00065
），使得
Figure TW201806421AD00066
且
Figure TW201806421AD00067
。將所述傳輸功率
Figure TW201806421AD00068
及
Figure TW201806421AD00069
代入方程式（4）及（5），總系統容量
Figure TW201806421AD00070
，可以表示為：
Figure TW201806421AD00071
方程式（7） 其中
Figure TW201806421AD00072
。
根據方程式（7），最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00073
的最佳化問題等同於最大化方程式（7）中的
Figure TW201806421AD00074
。基此，最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00075
的最佳化問題可以重新表示為：
Figure TW201806421AD00076
方程式（8a）
Figure TW201806421AD00077
方程式（8b） 其中
Figure TW201806421AD00078
。需說明的是，方程式（8b）的上界與下界皆須小於1/2以符合NOMA系統的原理。因此，將推導出以下兩個條件來設定
Figure TW201806421AD00079
及
Figure TW201806421AD00080
：
Figure TW201806421AD00081
方程式（9）
Figure TW201806421AD00082
方程式（10）
接下來，對方程式
Figure TW201806421AD00083
進行微分，如下所示：
Figure TW201806421AD00084
方程式（11） 根據方程式（11），由於
Figure TW201806421AD00085
，可推得方程式
Figure TW201806421AD00086
的斜率為一正數。也就是說，方程式
Figure TW201806421AD00087
為一嚴格遞增函數。當功率分配因子
Figure TW201806421AD00088
的值非常接近1時，可得到方程式
Figure TW201806421AD00089
的最大值。然而，當功率分配因子
Figure TW201806421AD00090
的值非常接近1時，將導致用戶設備122的傳輸功率
Figure TW201806421AD00091
趨近於0，使得用戶設備122的系統容量
Figure TW201806421AD00092
亦接近0。此結果將造成對用戶設備122不公平的傳輸。
因此，本發明將提出一種功率分配方法，以在能夠最大化系統容量、且存在使用者功率與傳輸率需求之限制的情況下，可對用戶設備121及122進行適當的功率分配。
在本實施例中，所述功率分配方法可應用於圖1中所示的下行鏈路系統100。需注意的是，雖然圖1僅繪示兩個用戶設備121和122為例做說明，但本發明可以擴展到更多的用戶設備。除此之外，基地台110和用戶設備121和122可分別配置有M 根天線，以形成MIMO-NOMA的下行鏈路系統100，其中M 可為任意大於1的正整數，但本發明並不限於此。然而，在接下來的實施例中，本發明實施例的基地台110和用戶設備121和122僅以單一天線系統來探討關於功率分配的問題，以便於說明。
在本實施例中，用戶設備121、122例如可實現為（但不限於）移動站、先進移動站（advanced mobile station，AMS）、伺服器、用戶端、桌上型電腦、膝上型電腦、網路電腦、工作站、個人數位助理（personal digital assistant，PDA）、平板電腦（tablet personal computer，tablet PC）、掃描器、電話裝置、尋呼機、相機、電視、掌上型視頻遊戲裝置、音樂裝置、無線感測器等等，本發明並未對此有所限制。
基地台110可包含（但不限於），例如，eNB、家用eNB（Home eNB）、高級基地台（advanced base station，ABS）、基站收發系統（base transceiver system，BTS）、接取點、本籍基地台（home BS）、中繼器、中間節點、中間設備以及/或者基於衛星的通訊基地台，但本發明的可實施方式並不限於此。
在本實施例中，基地台110可以至少表示為如圖2所示的功能元件。圖2是依據本發明之一實施例繪示之基地台的方塊圖。基地台110可至少包含（但不限於）收發電路210、儲存電路220及處理電路230。收發電路210可包含傳送器電路、類比-數位（analog-to-digital，A/D）轉換器、D/A轉換器、低噪音放大、混頻、濾波、阻抗匹配、傳輸線、功率放大、一或多個天線電路及本地儲存媒體元件（但本發明並不限於此），以為基地台110提供無線傳送/接收功能給用戶設備121及122。儲存電路220例如是記憶體、硬碟、或任何其它用以儲存資料的元件，並可經配置以儲存多個程式碼。
處理電路230耦接收發電路210及儲存電路220，其可為一般用途處理器、特殊用途處理器、傳統的處理器、數位訊號處理器、多個微處理器（microprocessor）、一個或多個結合數位訊號處理器核心的微處理器、控制器、微控制器、特殊應用集成電路（application specific integrated circuit，ASIC）、場可程式閘陣列電路（field programmable gate array，FPGA）、任何其他種類的積體電路、狀態機、基於進階精簡指令集機器（advanced RISC machine，ARM）的處理器以及類似品。
在本實施例中，處理電路330可存取並執行儲存在儲存電路220中的多個程式碼，以執行本發明提出的功率分配方法的各個步驟。圖3是依據本發明之一實施例繪示的功率分配方法的流程圖。請參看圖1-3，圖3的方法可由圖2的基地台110執行，且適用於圖1中所示的下行鏈路系統100。以下將參照圖2中基地台110的各個元件來說明圖3功率分配方法的各個步驟。
在步驟310中，處理電路230配置用戶設備121的傳輸功率
Figure TW201806421AD00093
小於用戶設備122的傳輸功率
Figure TW201806421AD00094
，其中用戶設備121的通道增益大於用戶設備122。
在本實施例中，假設
Figure TW201806421AD00095
表示為基地台110和用戶設備121之間的傳輸通道，
Figure TW201806421AD00096
表示為基地台110和用戶設備122之間的傳輸通道，且假設用戶設備121具有較大的通道增益，而用戶設備122具有較小的通道增益（即，
Figure TW201806421AD00097
）。為了能夠在接收端（即，用戶設備121、122）使用SIC技術正確地解調出基地台110傳送的訊號，將具有較小通道增益的用戶設備122配置較多的傳輸功率
Figure TW201806421AD00098
，且將具有較大通道增益的用戶設備121配置較少的傳輸功率
Figure TW201806421AD00099
。在此情況下，用戶設備121的傳輸功率
Figure TW201806421AD00100
小於用戶設備122的傳輸功率
Figure TW201806421AD00101
（即，
Figure TW201806421AD00102
）。
在步驟320中，依據傳輸功率
Figure TW201806421AD00103
計算用戶設備121的系統容量
Figure TW201806421AD00104
，且依據傳輸功率
Figure TW201806421AD00105
計算用戶設備122的系統容量
Figure TW201806421AD00106
。在本實施例中，系統容量
Figure TW201806421AD00107
和
Figure TW201806421AD00108
的表示方式分別可參閱上述提及的方程式（4）及（5）。
在步驟330中，將系統容量
Figure TW201806421AD00109
和
Figure TW201806421AD00110
相加以取得總系統容量
Figure TW201806421AD00111
，即，
Figure TW201806421AD00112
。
在步驟340中，處理電路230在最大化總系統容量的情況下計算傳輸功率
Figure TW201806421AD00113
及
Figure TW201806421AD00114
，其中採用卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件取得最大化總系統容量的傳輸功率
Figure TW201806421AD00115
及
Figure TW201806421AD00116
。
在本實施例中，為了達到兩個用戶設備121和122在NOMA系統中的QoS要求，最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00117
（其中
Figure TW201806421AD00118
）的最佳化問題，將在限制使用者功率與預先設定最低傳輸率需求之的情況下來分配傳輸功率
Figure TW201806421AD00119
及
Figure TW201806421AD00120
。關於最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00121
（其中
Figure TW201806421AD00122
）的最佳化問題的表示方式，可參閱上述的方程式（8a）~（8b）。
此外，在本實施例中，將採用KKT條件取得最大化總系統容量的傳輸功率
Figure TW201806421AD00123
及
Figure TW201806421AD00124
。關於KKT條件，如下所示：
Figure TW201806421AD00125
方程式（12） 其中
Figure TW201806421AD00126
，且
Figure TW201806421AD00127
分別為限制條件
Figure TW201806421AD00128
的拉格朗日乘數（Lagrange multiplier）。對於方程式（12）中的條件i )，可以表示為：
Figure TW201806421AD00129
方程式（13）
對於
Figure TW201806421AD00130
與
Figure TW201806421AD00131
，方程式（12）中的條件ii )及iii )須符合，以取得功率分配因子
Figure TW201806421AD00132
。在
Figure TW201806421AD00133
的情況下設置
Figure TW201806421AD00134
，可從方程式（12）中的條件ii )取得功率分配因子
Figure TW201806421AD00135
，如下所示：
Figure TW201806421AD00136
方程式（14） 另一方面，在
Figure TW201806421AD00137
的情況下設置
Figure TW201806421AD00138
，可從方程式（12）中的條件iii )取得功率分配因子
Figure TW201806421AD00139
，如下所示：
Figure TW201806421AD00140
方程式（15）
換言之，當考慮兩個用戶設備的功率與最低傳輸率需求，最佳的功率分配因子
Figure TW201806421AD00141
會依據用戶設備的功率與最低傳輸率需求而有所不同。舉例來說，為了使系統容量
Figure TW201806421AD00142
能夠達到最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00143
（即，
Figure TW201806421AD00144
），功率分配因子
Figure TW201806421AD00145
必須大於或等於
Figure TW201806421AD00146
。相反地，為了使系統容量
Figure TW201806421AD00147
能夠達到最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00148
（即，
Figure TW201806421AD00149
），功率分配因子
Figure TW201806421AD00150
必須小於或等於
Figure TW201806421AD00151
。基此，
Figure TW201806421AD00152
可保證用戶設備121的系統容量
Figure TW201806421AD00153
滿足最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00154
且可以最大化用戶設備122的系統容量
Figure TW201806421AD00155
，而
Figure TW201806421AD00156
可保證用戶設備122的系統容量
Figure TW201806421AD00157
滿足最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00158
且可以最大化用戶設備121的系統容量
Figure TW201806421AD00159
。
在此情況下，步驟340更延伸出兩種方法來取得傳輸功率
Figure TW201806421AD00160
及
Figure TW201806421AD00161
。為了說明所述兩種方法，本發明更詳細地將步驟S340細分為圖4的步驟S410～S430及圖5的步驟S510～S530。
圖4是依據本發明之一實施例繪示優先考慮用戶設備121的系統容量所執行的功率分配方法的流程圖。
在步驟S410中，處理電路230設置系統容量
Figure TW201806421AD00162
為最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00163
，其中最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00164
為系統容量
Figure TW201806421AD00165
須達到之最小值。
在步驟S420中，處理電路230採用KKT條件計算最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00166
的第一功率分配因子
Figure TW201806421AD00167
。在本實施例中，將依據方程式（12）中的KKT條件設置
Figure TW201806421AD00168
且
Figure TW201806421AD00169
，以計算最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00170
的第一功率分配因子
Figure TW201806421AD00171
。在本發明的一實施例中，可根據方程式（14）直接計算第一功率分配因子
Figure TW201806421AD00172
。
在步驟S430中，處理電路230依據第一功率分配因子
Figure TW201806421AD00173
計算傳輸功率
Figure TW201806421AD00174
和
Figure TW201806421AD00175
。在本實施例中，由於傳輸功率
Figure TW201806421AD00176
且傳輸功率
Figure TW201806421AD00177
，故在取得第一功率分配因子
Figure TW201806421AD00178
之後可分別計算傳輸功率
Figure TW201806421AD00179
和
Figure TW201806421AD00180
。
接下來，處理電路230即可依據傳輸功率
Figure TW201806421AD00181
和
Figure TW201806421AD00182
取得系統容量
Figure TW201806421AD00183
（根據方程式（4））與系統容量
Figure TW201806421AD00184
（根據方程式（5）），並將系統容量
Figure TW201806421AD00185
與系統容量
Figure TW201806421AD00186
相加以取得總系統容量
Figure TW201806421AD00187
。
在另一實施例中，圖5是依據本發明之一實施例繪示優先考慮用戶設備122的系統容量所執行的功率分配方法的流程圖。
在步驟S510中，處理電路230設置系統容量
Figure TW201806421AD00188
為最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00189
，其中最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00190
為系統容量
Figure TW201806421AD00191
須達到之最小值。
在步驟S520中，處理電路230採用KKT條件計算最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00192
的第二功率分配因子
Figure TW201806421AD00193
。在本實施例中，將依據方程式（12）中的KKT條件設置
Figure TW201806421AD00194
且
Figure TW201806421AD00195
，以計算最大化總系統容量
Figure TW201806421AD00196
的第二功率分配因子
Figure TW201806421AD00197
。在本發明的一實施例中，可根據方程式（15）直接計算第二功率分配因子
Figure TW201806421AD00198
。
在步驟S530中，處理電路230依據第二功率分配因子
Figure TW201806421AD00199
計算傳輸功率
Figure TW201806421AD00200
和
Figure TW201806421AD00201
。在本實施例中，由於傳輸功率
Figure TW201806421AD00202
且傳輸功率
Figure TW201806421AD00203
，故在取得第二功率分配因子
Figure TW201806421AD00204
之後可分別計算傳輸功率
Figure TW201806421AD00205
和
Figure TW201806421AD00206
。
接下來，處理電路230即可依據傳輸功率
Figure TW201806421AD00207
和
Figure TW201806421AD00208
取得系統容量
Figure TW201806421AD00209
（根據方程式（4））與系統容量
Figure TW201806421AD00210
（根據方程式（5）），並將系統容量
Figure TW201806421AD00211
與系統容量
Figure TW201806421AD00212
相加以取得總系統容量
Figure TW201806421AD00213
。
簡言之，本發明實施例的功率分配方法，採用KKT條件取得最大化總系統容量的傳輸功率，其中可以由不同情況下，預先設定某一用戶設備的傳輸率需求，得出最佳的傳輸功率分配，並能最大化另一用戶設備的系統容量。
圖6及圖7繪示用戶設備的系統容量或總系統容量對訊號雜訊比（SNR）的模擬結果的示意圖。此模擬結果用以說明本發明實施例所提出的功率分配方法的成效。在圖6及圖7中的水平軸以dB為單位表示SNR，且垂直軸為以每赫茲每秒位元數（或作bps/Hz）為單位量測的容量（capacity）。
需說明的是，圖6及圖7中的模擬結果是透過平均105 的通道實現。SNR定義為
Figure TW201806421AD00214
。在此假設AWGN在每一節點的變異數為1（即，
Figure TW201806421AD00215
），且所有通道是從具有平均值為0且變異數為
Figure TW201806421AD00216
的複數高斯隨機變數中獨立的取出，其中設置
Figure TW201806421AD00217
為20dB且
Figure TW201806421AD00218
為10dB。圖6及圖7皆採用在正交多重接取（orthogonal multiple access，OMA）傳輸系統中的系統容量與本發明做為比較，其中OMA傳輸系統中的第n 個用戶設備的系統容量可表示為
Figure TW201806421AD00219
。此外，在OMA傳輸系統中的傳輸功率
Figure TW201806421AD00220
是經由全功率搜尋（Full-Search）方法，來達到最大化系統容量及使用者功率與傳輸率需求。實線用以表示本發明實施例提出的NOMA功率分配方法，虛線則用以表示OMA全功率搜尋的功率分配方法。在所述兩種功率分配方法當中，皆假設最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00221
為1bps/Hz及最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00222
為2bps/Hz，且應用於單一天線系統當中。
Figure TW201806421AD00223
及
Figure TW201806421AD00224
分別用以表示本發明實施例在NOMA系統中強用戶與弱用戶的系統容量。類似地，
Figure TW201806421AD00225
及
Figure TW201806421AD00226
分別用以表示在OMA系統中強用戶與弱用戶的系統容量。
請參照圖6，模擬結果顯示出
Figure TW201806421AD00227
皆有符合最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00228
為1bps/Hz。雖然
Figure TW201806421AD00229
小於
Figure TW201806421AD00230
，但由於
Figure TW201806421AD00231
大於
Figure TW201806421AD00232
，將使得NOMA系統的總容量大於OMA系統的總容量（即，
Figure TW201806421AD00233
）。同樣地，請參照圖7，模擬結果顯示出
Figure TW201806421AD00234
皆有符合最低傳輸率需求
Figure TW201806421AD00235
為2bps/Hz，且由於
Figure TW201806421AD00236
遠大於
Figure TW201806421AD00237
，即大幅度改善NOMA系統中弱用戶的系統容量，將使得NOMA系統的總容量大於OMA系統的總容量（即，
Figure TW201806421AD00238
）。
另一方面，圖8繪示在MIMO系統當中使用不同功率分配方法的總容量對SNR的模擬結果的示意圖。圖8將本發明實施例提出的功率分配方法與先前技術中提到的迭代演算法以及低複雜度之次佳功率分配法做比較。請參照圖8，標號「○」用以表示本發明實施例提出的功率分配方法（即，提出的NOMA-PA），標號「╳」用以表示採用迭代演算法的功率分配方法（即，迭代NOMA-PA），標號「△」則用以表示採用次佳的功率分配方法（即，次佳NOMA-PA）。此外，M 用以表示天線的個數。模擬結果顯示本發明實施例提出之方法能比次佳的功率分配法達到更佳的表現，並且可以達到與迭代演算法相近的系統容量。
除此之外，關於複雜度的比較，針對單一天線系統，本發明實施例提出的方法所需的乘法/除法個數分別為3和5，而迭代演算法及次佳的功率分配方法所需的乘法/除法個數分別為3N 和5，其中N 表示迭代的個數。同樣地，對於多天線系統而言，亦得到類似的結果。據此，可以驗證出本發明實施例所提出的功率分配方法具有較低的計算複雜度。
綜上所述，本發明實施例的功率分配方法以及使用所述方法的基地台，基地台可因應不同用戶設備的最低傳輸率需求，將用戶設備的功率分配分成兩種情況，即預先設定某一用戶設備的最低傳輸率需求，得出最佳的傳輸功率分配，並能達到最大化另一用戶設備的系統容量。除此之外，本發明實施例提出的方法相較於迭代演算法得出之結果不僅具有較低的計算複雜度之外，模擬結果更顯示出兩者之效能是非常相近的。
雖然本發明已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本發明的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
100‧‧‧下行鏈路系統
110‧‧‧基地台
121、122‧‧‧用戶設備
130‧‧‧涵蓋範圍
141、142、143‧‧‧區塊
210‧‧‧收發電路
220‧‧‧儲存電路
230‧‧‧處理電路
S310、S320、S330、S340、S410、S420、S430、S510、S520、S530‧‧‧步驟
圖1繪示用戶在接收端使用SIC技術的示意圖。 圖2是依據本發明之一實施例繪示基地台的方塊圖。 圖3是依據本發明之一實施例繪示功率分配方法的流程圖。 圖4是依據本發明之一實施例繪示優先考慮第一用戶設備的系統容量所執行的功率分配方法的流程圖。 圖5是依據本發明之一實施例繪示優先考慮第二用戶設備的系統容量所執行的功率分配方法的流程圖。 圖6繪示用戶設備的系統容量或總系統容量對訊號雜訊比（SNR）的模擬結果的示意圖。 圖7繪示用戶設備的系統容量或總系統容量對SNR的模擬結果的示意圖。 圖8繪示在不同天線數的情況下，使用不同功率分配方法的總系統容量對SNR的模擬結果的示意圖。
S310、S320、S330、S340‧‧‧步驟

Claims (14)

  1. 一種功率分配方法，適用於非正交多重接取（non-orthogonal multiple access，NOMA）系統中傳送訊息給至少兩個用戶設備的一基地台，其中所述至少兩個用戶設備包括一第一用戶設備與一第二用戶設備，包括： 配置所述第一用戶設備的一第一傳輸功率小於所述第二用戶設備的一第二傳輸功率，其中所述第一用戶設備的通道增益大於所述第二用戶設備； 依據所述第一傳輸功率計算所述第一用戶設備的一第一系統容量，且依據所述第二傳輸功率計算所述第二用戶設備的一第二系統容量； 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得一總系統容量； 在最大化所述總系統容量的情況下計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率，其中採用卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件取得最大化所述總系統容量的所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的功率分配方法，其中所述採用KKT條件取得最大化所述總系統容量的所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率的步驟包括： 設置所述第一系統容量為一第一最低傳輸率需求，其中所述第一最低傳輸率需求為所述第一系統容量須達到之最小值； 採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的一第一功率分配因子；以及 依據所述第一功率分配因子計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  3. 如申請專利範圍第2項所述的功率分配方法，所述KKT條件包括一第一參數及一第二參數，其中所述採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第一功率分配因子的步驟更包括： 設置所述第一參數大於零，且設置所述第二參數等於零；以及 依據所述KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第一功率分配因子。
  4. 如申請專利範圍第2項所述的功率分配方法，更包括： 依據所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率取得所述第一系統容量與所述第二系統容量；以及 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得所述總系統容量。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的功率分配方法，其中所述採用KKT條件取得最大化所述總系統容量的所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率的步驟包括： 設置所述第二系統容量為一第二最低傳輸率需求，其中所述第二最低傳輸率需求為所述第二系統容量須達到之最小值；以及 採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的一第二功率分配因子； 依據所述第二功率分配因子計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的功率分配方法，所述KKT條件包括一第一參數及一第二參數，其中所述採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第二功率分配因子的步驟更包括： 設置所述第一參數等於零，且設置所述第二參數大於零；以及 依據所述KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第二功率分配因子。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的功率分配方法，更包括： 依據所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率取得所述第一系統容量與所述第二系統容量；以及 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得所述總系統容量。
  8. 一種基地台，適用於一非正交多重接取（non-orthogonal multiple access，NOMA）系統，所述基地台包括： 一收發電路，用以傳送訊息給至少兩個用戶設備，其中所述至少兩個用戶設備包括一第一用戶設備與一第二用戶設備； 一儲存電路，儲存多個程式碼；以及 一處理電路，耦接所述收發電路和所述儲存電路，並且經配置以存取所述程式碼以執行如下操作： 配置所述第一用戶設備的一第一傳輸功率小於所述第二用戶設備的一第二傳輸功率，其中所述第一用戶設備的通道增益大於所述第二用戶設備； 依據所述第一傳輸功率計算所述第一用戶設備的一第一系統容量，且依據所述第二傳輸功率計算所述第二用戶設備的一第二系統容量； 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得一總系統容量； 在最大化所述總系統容量的情況下計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率，其中採用卡羅需-庫恩-塔克（Karush-Kuhn-Tucker，KKT）條件取得最大化所述總系統容量的所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的基地台，其中所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 設置所述第一系統容量為一第一最低傳輸率需求，其中所述第一最低傳輸率需求為所述第一系統容量須達到之最小值； 採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的一第一功率分配因子；以及 依據所述第一功率分配因子計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  10. 如申請專利範圍第9項所述的基地台，其中所述KKT條件包括一第一參數及一第二參數，所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 設置所述第一參數大於零，且設置所述第二參數等於零；以及 依據所述KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第一功率分配因子。
  11. 如申請專利範圍第9項所述的基地台，其中所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 依據所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率取得所述第一系統容量與所述第二系統容量；以及 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得所述總系統容量。
  12. 如申請專利範圍第8項所述的基地台，其中所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 設置所述第二系統容量為一第二最低傳輸率需求，其中所述第二最低傳輸率需求為所述第二系統容量須達到之最小值；以及 採用KKT條件計算最大化所述總系統容量的一第二功率分配因子； 依據所述第二功率分配因子計算所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率。
  13. 如申請專利範圍第12項所述的基地台，其中所述KKT條件包括一第一參數及一第二參數，所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 設置所述第一參數等於零，且設置所述第二參數大於零；以及 依據所述KKT條件計算最大化所述總系統容量的所述第二功率分配因子。
  14. 如申請專利範圍第12項所述的基地台，其中所述處理電路進一步存取所述程式碼以執行： 依據所述第一傳輸功率與所述第二傳輸功率取得所述第一系統容量與所述第二系統容量；以及 將所述第一系統容量與所述第二系統容量相加以取得所述總系統容量。
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