適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中基于用戶接入和功率分配的能效優(yōu)化方法，屬于無線 通信技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)用戶或者網(wǎng)絡(luò)需要搭建起來，各小區(qū)同時共享宏小區(qū)的頻譜資源。 采用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的目的是讓那些在宏小區(qū)的用戶連接到具有重疊覆蓋區(qū)域的小小區(qū)。小小 區(qū)的發(fā)展具有優(yōu)勢在于：無限資源的重復(fù)使用，加強傳輸功率效率，從而提升整個網(wǎng)絡(luò)的能 效。由于目前能量開銷是網(wǎng)絡(luò)運營者的一筆重要開支，因此，能效將成為下一代無線通信系 統(tǒng)的重要性能指標(biāo)之一。"綠色網(wǎng)絡(luò)計劃"旨在無線接入網(wǎng)絡(luò)中盡可能減少能量的損耗，因 而該計劃備受關(guān)注。
[0003] 高能效通信是未來移動通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，適合不同場景的能效優(yōu)化技術(shù)將產(chǎn) 生。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 發(fā)明目的；基于上述現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明針對采用(FDM技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)的上行能效 問題進(jìn)行分析和研究，討論多用戶多載波該場景下的能效優(yōu)化問題。由于微基站具有低功 率消耗的特點，本發(fā)明提出一種基于能效的用戶接入策略，使用戶從宏基站卸載W增加系 統(tǒng)的能效。其次，在最小速率和最大發(fā)射功率的約束條件下，W系統(tǒng)能效最優(yōu)為目標(biāo)，由于 在多用戶多載波場景下，無法直接求得目標(biāo)問題的最優(yōu)解，因此，提出一種聯(lián)合子載波調(diào)度 和用戶發(fā)射功率分配的次最優(yōu)解決方案，該方案的特點是用戶可W根據(jù)自身信道信息自適 應(yīng)調(diào)整所占用的子載波上的發(fā)射功率，最終實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)能效的目標(biāo)。
[0005] 技術(shù)方案：一種適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，包括W下 步驟：
[0006] 步驟一；通過計算和比較用戶接入到系統(tǒng)中不同基站的能效信息，選擇能效更好 的基站接入，解決用戶接入問題；
[0007] 步驟二；多載波多用戶場景中，采用載波調(diào)度方案，對載波資源進(jìn)行分配。本發(fā)明 中考慮的準(zhǔn)則是計算所有用戶在某個子載波上的信道增益，并將該子載波分配給信道增益 最大的用戶。同時，考慮信道噪聲比（CNR，化anne^to-Noise Rate)速率分配法，計算每個 子載波上的速率，進(jìn)而求解滿足最小速率要求的最佳功率；
[0008] 步驟S :利用最優(yōu)功率分配的庫恩培克條件（邸T，Karush-Kuhn-Tucker Conditions)，求解滿足能效最優(yōu)的最佳功率。通過與步驟二求得的結(jié)果對比，得到子載波 上滿足最小速率約束和最大功率約束條件的最優(yōu)功率；
[0009] 步驟四：計算系統(tǒng)能效。
[0010] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明提供的適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入 和功率分配方法，能夠合理利用系統(tǒng)物理資源，有效提高系統(tǒng)能效。
【附圖說明】
[0011] 圖1為本發(fā)明方法的系統(tǒng)模型圖；
[0012] 圖2為本發(fā)明中算法流程圖；
[0013] 圖3為本發(fā)明中系統(tǒng)能效隨用戶數(shù)變化圖；
[0014] 圖4為本發(fā)明中系統(tǒng)中用戶和速率隨用戶數(shù)變化圖；
[0015] 圖5為本發(fā)明中系統(tǒng)能效隨用戶最大發(fā)射功率變化圖。
【具體實施方式】
[0016] 下面結(jié)合具體實施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解該些實施例僅用于說明本發(fā)明 而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對本發(fā)明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權(quán)利要求所限定的范圍。
[0017] 針對采用OFDM技術(shù)的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)上行鏈路系統(tǒng)，系統(tǒng)能效巧nergy Efficiency)定 義為單位功率上所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)速率，單位為b/s/W，即；
[0018]
【主權(quán)項】
1. 一種適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，其特征在于，聯(lián)合考慮 基于能效的用戶接入方案和功率分配，以達(dá)到優(yōu)化能效的目標(biāo)，所述方法包括以下步驟： 步驟一：通過計算和比較用戶接入到系統(tǒng)中不同基站的能效信息，選擇能效更好的基 站接入，解決用戶接入問題； 步驟二：多載波多用戶場景中，采用載波調(diào)度方案，對載波資源進(jìn)行分配。本發(fā)明中考 慮的準(zhǔn)則是計算所有用戶在某個子載波上的信道增益，并將該子載波分配給信道增益最大 的用戶；同時，考慮信道噪聲比速率分配法，計算每個子載波上的速率，進(jìn)而求解滿足最小 速率要求的最佳功率； 步驟三：利用最優(yōu)功率分配的庫恩塔克條件，求解滿足能效最優(yōu)的最佳功率。通過與步 驟二求得的結(jié)果對比，得到子載波上滿足最小速率約束和最大功率約束條件的最優(yōu)功率； 步驟四：計算系統(tǒng)能效。
2. 如權(quán)利要求1所述的適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，其特征 在于，驟二中的建立多載波多用戶場景優(yōu)化目標(biāo)的過程為： 考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中有N個用戶和K個子載波的場景；在上行鏈路中，多用戶向基站發(fā)送數(shù) 據(jù)，因此在激活的用戶和基站之間的通信鏈路中引入了電路功率消耗Pc;此時，能效最大化 問題表示為：
其中，X表示由 < 組成的一個NXK矩陣；若子載波k分配給用戶n，那么< =1;否則 4 = 〇 ;P表示由Z組成的一個NXK矩陣；Z表示用戶n分配在子載波k上的功率；圮 表示用戶n分配在子載波k上的速率；U表示系統(tǒng)中激活的用戶數(shù)； 接下來，將能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為子載波調(diào)度問題，進(jìn)而求解子載波上的最優(yōu)功率優(yōu)化 問題。
3. 如權(quán)利要求2所述的適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，其特征 在于，將能效優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為子載波調(diào)度問題，進(jìn)而求解子載波上的最優(yōu)功率優(yōu)化問題，主 要方案為： 1) 初始化：定義系統(tǒng)中可以調(diào)用的用戶數(shù)為N;系統(tǒng)中的子載波數(shù)為K;系統(tǒng)中激活的 用戶數(shù)為U，初始時設(shè)置U為0,每次調(diào)度過程中都要更新U;未被調(diào)用的子載波集合為A;用 戶neN占用的子載波集合為Cn; 2) 根據(jù)給定的子載波keA，計算每個用戶的在該子載波上的信道噪聲比：
}|2表示用戶n在子載波k上的信道增益；?1^表示用戶n的大尺度路徑損耗；N。表 示噪聲功率譜密度；W表示子載波帶寬為； 3) 將子載波k分配給使得值最大的用戶，S卩：i=max" ; 4) 用戶n的子載波集合Cn變?yōu)椋篊n=CnU{k};可用子載波集合A變?yōu)椋篈=A-{k}; 用戶n使用的子載波數(shù)目為count(n) =size(Cn); 更新激活的用戶集合U，即計算向量count中不為0的元素的個數(shù)，不斷重復(fù)以上調(diào)度 過程，直到所有的子載波調(diào)度完成，即3 = 0為止； 5) 如果count(n) = 1，那么直接計算滿足最小速率約束的功率：
如果count(n) > 1，那么利用相關(guān)速率分配法計算分配到子載波上的速率，然 后再計算滿足最小速率約束的功率。
4.如權(quán)利要求1所述的適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，其特征 在于，所述的步驟三中的利用KKT條件求解滿足能效最優(yōu)的最大功率約束條件的最佳功率 為： 考慮第kMf個子載波的分配給用戶時，在迭代過程中，載波中的k個資源已被分配完， 此時的能效優(yōu)化問題可以表示為： ,C-J ^
n=L\ z」▲ n 其^
I示在第kMf個子載波分配之前，系統(tǒng)中被調(diào)度 用戶的速率和功率消耗；uMf表示此時系統(tǒng)中激活的用戶數(shù)； 由于優(yōu)化目標(biāo)的分子是凹函數(shù)，分母受限于功率的約束，因此存在最優(yōu)解；最優(yōu)功率 的KKT條件為：
fn ~Fn ,kref 4
，那么求解最優(yōu)功率的表達(dá)式：
其中：
果乂~Kfnm'那么獲得最優(yōu)功率凡。 因此，子載波kMf上以能效最優(yōu)為目標(biāo)，滿足最小速率約束和最大功率約束條件的最優(yōu) 功_
5.如權(quán)利要求1所述的適用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)的用戶接入和功率分配方法，其特征 在于：利/
十算用戶的功率和速率；進(jìn)而計 算系統(tǒng)能效，即：
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種應(yīng)用于異構(gòu)無線蜂窩網(wǎng)絡(luò)上行鏈路的基于用戶接入和功率分配的能效優(yōu)化方法。首先，由于微基站具有低功率消耗的特點，本發(fā)明提出一種基于能效的用戶接入策略，使用戶從宏基站卸載以增加系統(tǒng)的能效。其次，在最小速率和最大發(fā)射功率的約束條件下，以系統(tǒng)能效最優(yōu)為目標(biāo)，由于在多用戶多載波場景下，無法直接求得目標(biāo)問題的最優(yōu)解，因此，提出一種聯(lián)合子載波調(diào)度和用戶發(fā)射功率分配的次最優(yōu)解決方案，該方案的特點是用戶可以根據(jù)自身信道信息自適應(yīng)調(diào)整所占用的子載波上的發(fā)射功率，最終實現(xiàn)優(yōu)化系統(tǒng)能效的目標(biāo)。
【IPC分類】H04W72-04, H04L5-00, H04W52-34
【公開號】CN104703270
【申請?zhí)枴緾N201510138297
【發(fā)明人】黃永明, 王雅芳, 何世文, 曹本
【申請人】南京智雅信息科技有限公司
【公開日】2015年6月10日
【申請日】2015年3月26日