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TWI608745B - 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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TWI608745B
TWI608745B TW105124901A TW105124901A TWI608745B TW I608745 B TWI608745 B TW I608745B TW 105124901 A TW105124901 A TW 105124901A TW 105124901 A TW105124901 A TW 105124901A TW I608745 B TWI608745 B TW I608745B
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TW
Taiwan
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system capacity
transmission power
user equipment
power
calculating
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TW105124901A
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TW201806421A (zh
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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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Priority to US15/256,110 priority patent/US9974081B2/en
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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。
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。
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傳送的訊號例如可表示為以下方程式(1)。
其中s 1表示為基地台110欲傳送給用戶設備121的訊號，s 2表示為基地台110欲傳送給用戶設備122的訊號，而P 1和P 2則分別表示基地台110對訊號s 1和s 2的傳輸功率分配，其中傳輸功率P 1小於P 2。
在用戶設備121、122端接收的訊號y 1和y 2則可分別表示為以下方程式(2)及(3)。
其中h 1表示為基地台110和用戶設備121之間的傳輸通道，h 2表示為基地台110和用戶設備122之間的傳輸通道，n 1和n 2則分別表示用戶設備121和122接收到的雜訊，其中n 1和n 2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y 1之後能以完美的SIC方法將來自用戶設備122訊號s 2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s 1(例如，圖1的區塊142)。另一方面，用戶設備122收到訊號y 2之 後，由於基地台110將訊號s 1配置較少的傳輸功率P 1，使得用戶設備122可在將訊號s 1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s 2(例如，圖1的區塊143)。
在成功的解調出訊號s 1及s 2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)。
C 1=log2(1+P 1|h 1|2/N 0)， 方程式(4)
C 2=log2(1+P 2|h 2|2/(P 1|h 2|2+N 0)) 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C 1、C 2與傳輸功率P 1、P 2有關。也就是說，對於訊號s 1、s 2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s 1、s 2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s 1和s 2分配傳輸功率P 1和P 2。
在此情況下，最大化總系統容量C T (其中C T =C 1+C 2)的最佳化問題，可以表示為：
限制P 1+P 2=P T 方程式(6b)
P 1>0,P 2>0,P 2>P 1 方程式(6c)
其中P T表示總傳輸功率，表示系統容量C 1之最低傳輸率需求，表示系統容量C 2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P 2，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P 1，使得P 2>P 1。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C T 的最佳化問題確實有解，本發明實施例證明總系統容量C T 為一嚴格遞增函數。在本實施例中，相對於總傳輸功率P T，將在傳輸功率P 1及P 2之間定義一功率分配因子α(其中0<α<1)，使得P 1=αP T且P 2=(1-α)P T。將所述傳輸功率P 1及P 2代入方程式(4)及(5)，總系統容量C T ，可以表示為：C T =C 1+C 2=log2(1+f(α)) 方程式(7)其中。
根據方程式(7)，最大化總系統容量C T 的最佳化問題等同於最大化方程式(7)中的f(α)。基此，最大化總系統容量C T 的最佳化問題可以重新表示為：
限制 其中,μ 1=P T |h 1|2/N 0,μ 2=P T |h 2|2/N 0。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及：
接下來，對方程式f(α)進行微分，如下所示： 根據方程式(11)，由於|h 1|2>|h 2|2，可推得方程式f(α)的斜率為一正數。也就是說，方程式f(α)為一嚴格遞增函數。當功率分配因子α的值非常接近1時，可得到方程式f(α)的最大值。然而，當功率分配因子α的值非常接近1時，將導致用戶設備122的傳輸功率P 2趨近於0，使得用戶設備122的系統容量C 2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230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P 1小於用戶設備122的傳輸功率P 2，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h 1表示為基地台110和用戶設備121之間的傳輸通道，h 2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，|h 1|2>|h 2|2)。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P 2，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P 1。在此情況下，用戶設備121的傳輸功率P 1小於用戶設備122的傳輸功率P 2(即，P 1<P 2)。
在步驟320中，依據傳輸功率P 1計算用戶設備121的系統容量C 1，且依據傳輸功率P 2計算用戶設備122的系統容量C 2。在本實施例中，系統容量C 1和C 2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C 1和C 2相加以取得總系統容量C T ，即，C T =C 1+C 2。
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P 1及P 2，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P 1及P 2。
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C T (其中C T =C 1+C 2)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P 1及P 2。關於最大化總系統容量C T (其中C T =C 1+C 2)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P 1及P 2。關於KKT條件，如下所示： 其中g(α)=-f(α)0，且λ 1,λ 2分別為限制條件C 1 ,C 2 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：
對於λ 2>0與λ 1>0，方程式(12)中的條件ii)及iii)須符合，以取得功率分配因子α。在λ 1>0的情況下設置λ 2=0，可從方程式(12)中的條件ii)取得功率分配因子α，如下所示： 另一方面，在λ 2>0的情況下設置λ 1=0，可從方程式(12)中的條件iii)取得功率分配因子α，如下所示：
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α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C 1能夠達到最低傳輸率需求(即，C 1 )，功率分配因子α必須大於或等於/μ 1。相反地，為了使系統容量C 2能夠達到最低傳輸率需求(即，C 2 )，功率分配因子α必須小於或等於[1/(1+)][1-/μ 2]。基此， 可保證用戶設備121的系統容量C 1滿足最低傳輸率需求且可以最大化用戶設備122的系統容量C 2，而可保證用戶設備122的系統容量C 2滿足最低傳輸率需求且可以最大化用戶設備121的系統容量C 1。
在此情況下，步驟340更延伸出兩種方法來取得傳輸功率P 1及P 2。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C 1為最低傳輸率需求，其中最低傳輸率需求為系統容量C 1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C T 的第一功率分配因子。在本實施例中，將依據方程式(12)中的KKT條件設置λ 1>0且λ 2=0，以計算最大化總系統容量C T 的第一功率分配因子。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。
在步驟S430中，處理電路230依據第一功率分配因子計算傳輸功率P 1和P 2。在本實施例中，由於傳輸功率且傳輸功率，故在取得第一功率分配因子之後可分別計算傳輸功率P 1和P 2。
接下來，處理電路230即可依據傳輸功率P 1和P 2取得系統 容量C 1(根據方程式(4))與系統容量C 2(根據方程式(5))，並將系統容量C 1與系統容量C 2相加以取得總系統容量C T 。
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C 2為最低傳輸率需求，其中最低傳輸率需求為系統容量C 2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C T 的第二功率分配因子。在本實施例中，將依據方程式(12)中的KKT條件設置λ 1=0且λ 2>0，以計算最大化總系統容量C T 的第二功率分配因子。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。
在步驟S530中，處理電路230依據第二功率分配因子計算傳輸功率P 1和P 2。在本實施例中，由於傳輸功率且傳輸功率，故在取得第二功率分配因子之後可分別計算傳輸功率P 1和P 2。
接下來，處理電路230即可依據傳輸功率P 1和P 2取得系統容量C 1(根據方程式(4))與系統容量C 2(根據方程式(5))，並將系統容量C 1與系統容量C 2相加以取得總系統容量C T 。
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P T /N 0。在此假設AWGN在每一節點的變異數為1(即，N 0=1)，且所有通道是從具有平均值為0且變異數為的複數高斯隨機變數中獨立的取出，其中設置/N 0為20dB且/N 0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C n,OMA=(1/2)log2(1+(P n,OMA| h n |2)/(1/2)N 0)。此外，在OMA傳輸系統中的傳輸功率P n,OMA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為1bps/Hz及最低傳輸率需求為2bps/Hz，且應用於單一天線系統當中。C 1,NOMA 及C 2,NOMA 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，C 1,OMA 及C 2,OMA 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C 2,NOMA 皆有符合最低傳輸率需求為1bps/Hz。雖然C 2,NOMA 小於C 2,OMA ，但由於C 1,NOMA 大於C 1,OMA ，將使得NOMA系統的總容量大於OMA系統的總容量(即，C 1,NOMA+C 2,NOMA>C 1,OMA+C 2,OMA)。同樣地，請參照圖7，模擬結果顯示出C 1,NOMA 皆有符合最低傳輸率需求為2bps/Hz，且由於C 2,NOMA 遠大於C 2,OMA ，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，C 1,NOMA+C 2,NOMA>C 1,OMA+C 2,OMA)。
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。
S310、S320、S330、S340‧‧‧步驟

Claims (12)

  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，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。
  2. 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，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；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；以及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。
  3. 如申請專利範圍第1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1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。
  6. 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。
  7. 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，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。
  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，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；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；以及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。
  9. 如申請專利範圍第7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。
  10. 如申請專利範圍第7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。
  11. 如申請專利範圍第8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。
  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：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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