CN104936234A - 一种用于lte系统中能效优化的联合动态资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，涉及LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，本发明采用分步资源调度，利用LTE系统能量效率关于频谱效率的凸函数，则能量效率也是传输速率的凸函数。当用户调度完毕，能效函数为分段可导连续函数，求解出无约束条件下的最优解，从而得出满足约束条件下的最优速率闭式解。最后根据已分配的传输速率进行传输功率分配，通过分步资源调度策略有效降低计算复杂度，避免了大量迭代逼近，在保证用户QoS要求和频谱效率的情况下，使得能量效率最优，提高了能源利用率，使得移动通信更加节能环保。

Description

一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法

技术领域

本发明涉及一种资源联合分配的动态资源分配方法，属于无线与移动通信技术领域，尤其是涉及一种用于LTE(Long Term Evolution,长期演进)系统中能效优化的联合动态资源分配方法。

背景技术

随着现代通信技术和社会科学技术的高速发展及4G技术在全球范围的商用逐步开展，新兴业务和移动应用的爆炸性增长，移动用户对传输速率提出了更高的要求。LTE(Long Term Evolution，长期演进)通信系统作为3G向4G的过渡技术，在可以预见的未来定将为人类带来全新的通信服务体验。

然而，随着用户数量激增及网络规模不断扩张，移动通信系统能耗急剧增加，引起运营商和全社会的广泛关注。面对移动通信能耗问题的严峻挑战，优化移动通信系统能耗、提高其能源使用效率成为移动通信发展的必然趋势，绿色移动通信概念也因此应运而生。绿色移动通信将“绿色”的概念融入移动通信，在移动通信系统演进及其服务能力提高的同时，注重资源使用效率，节约系统运营所需能耗，降低运营成本(Operating Expense,OPEX)。

传统的通信系统主要侧重频谱效率的提高，而忽略了能量效率。且已有的能效与频效折中的方法中，需要逐步迭代逼近搜索以求得最优资源分配，复杂度过高，难以应用于实际通信。文献("Trends in Green Wireless Access Networks,"inCommunications Workshops(ICC),2011IEEE International Conference on,2011,pp.1-5)提出了一种适用于多载波的基于能效优化的链路自适应算法。然而上述文献都没有考虑用户的服务质量如各用户最低数据传输速率要求以及基站最大传输功率，因此难以应用于实际系统。文献("Energy-Efficient Link Adaptation ona Rayleigh Fading Channel with Receiver CSI,"in Communications(ICC),2011IEEE International Conference on,2011,pp.1-5)在考虑用户最低传输速率要求的前提下，提出了一种使得能效最优的最优功率闭式解的资源分配方法，然而该方法只能应用于单用户单载波系统且电路功率建模为常数，极大地限制了该方法的应用。文献("An Accurate Closed-Form Approximation of the EnergyEfficiency-Spectral Efficiency Trade-Off over the MIMO Rayleigh Fading Channel,"in Communications Workshops(ICC),2011IEEE International Conference on,2011,pp.1-6)提出了一种求解近似最优能效的迭代资源分配算法，该算法包括内部迭代和外部迭代，以逐步搜索的形式求取近似最优解，实施复杂度过高。

发明内容

本发明针对现有技术LTE下行系统中现有的资源分配方法中存在的上述技术问题，提出了一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法。

本发明解决上述技术问题的技术方案是，提出一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，所述方法包括：参数初始化，用户-RB调度，速率分配，功率分配，具体为，对所有用户进行RB分配，每个RB分配给不同的用户；RB分配完成后，进行各用户的速率分配，进行各个用户的功率分配。

其中，功率分配包括：根据所有用户的信道信息增益矩阵H，选取用户在H中信道信息增益h_k,n最大的传输信道增益，基站eNB调度用户为用户分配无功率限制要求及无速率约束条件下能效最优时所对应的极值传输速率建立最优能效模型，确定用户所需的传输功率；如果传输功率满足最优化能效模型中功率约束条件，则该用户RB分配完毕，否则，在未分配的RB中选择信道增益最大的RB为传输功率不满足最优化能效模型中功率约束条件的用户进行二次调度，并重新计算所需的传输功率，直至所有用户所需的传输功率满足功率约束条件或所有RB分配完毕。

对不满足传输功率约束条件的用户进行二次调度，在剩余的RB中为用户选择信道增益最大的RB进行调度，并重新计算用户所需的传输功率。直至所有用户所需的传输功率满足其功率约束条件或所有RB分配完毕。对于RB分配完毕后仍然没有达到功率约束条件的用户，则通过适当降低某些用户的传输速率来保证资源调度成功率。

基站eNB调度用户进一步包括：根据公式：更新用户已分配的RB集合，根据公式：m_k＝m_k+1更新已分配的BR数目，根据公式：更新未分配的RB集合，根据公式：更新未分配RB的用户集合。对各用户进行速率分配具体包括：计算各个用户在满功率发射使得频谱效率最大时所对应的速率计算各个用户在已分配的RB集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的极值速率R_k ^*，根据各用户要求的最小速率调用公式：获取满足用户QoS约束条件下的最优传输速率。当时，用户k的传输速率由极值速率调整为当时，用户k的传输速率保持极值速率；当时，用户k的传输速率由极值速率调整为

根据已分配的RB集合和用户的速率进行各个用户的功率分配，具体包括：根据公式：计算各个用户在已分配的RB集合及速率下的传输功率。根据公式： ${R_k}^{*}=\frac{\tilde{N}B}{\ln 2}{W}_0\left[(\frac{P_{s,k}}{\tilde{N}\mathrm{\λ}}-\frac{1}{\tilde{N}}\underset{i=1}{\overset{\tilde{N}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\tilde{g}}_{k,n}}){\left(\underset{i=1}{\overset{\tilde{N}}{\mathrm{\Π}}}{\tilde{g}}_{k,n}\right)}^{1/\tilde{N}}{e}^{-1}\right]$ 计算用户k在已分配的RB集合上无速率要求及无功率限制的极限速率R_k ^*，其中，W₀(·)表示为Lambertw函数，为用户k已分配的RB集合中分配功率大于零的RB数目，e为自然常数，为按照降序排列后的信道增益噪声比，P_s,k各为各个用户电路的偏置功率，B为带宽。

本发明通过能量效率在各用户最大传输功率受限条件，提出一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，并且满足各用户的QoS要求。利用LTE系统能量效率是关于频谱效率的凸函数，而频谱效率对于速率又是严格递增的，即能量效率也是速率的凸函数。当用户调度完毕，即RB分配确定后能效函数为分段可导连续函数，求解出无约束条件下的最优解，与要求的最小速率即最大速率进行比较，从而得出满足约束条件下的最优速率闭式解。该方法与现有的方法相比，不需要大量逐步逼近搜索即可求出最优解，有效降低了计算复杂度，更加适用于实际应用。保证能效优化的基础上，也保证了一定的频谱效率，避免频带资源浪费，取得了频效与能效很好的折中。能效优化使通信更加节能环保，使绿色通信的实现成为可能。

附图说明

图1用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法总示意图；

图2用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法用户-RB调度流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例，给出本发明所提供的一种用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法进行更详细的说明。

在阐述具体实施例方式之前，首先对所用的数学模型进行介绍：

以最优化能量效率问题作为例子，假设eNB可以准确获得所有用户的的信道状态信息(CSIT)，信道是块衰落信道，即每个用户的信道在一个符号间隔(TTI)内保持不变，而在不同的TTI上是相互独立的。建立最优化能效模型：

$\underset{P_k,N_k\∈N}{\max }U=\frac{R}{\mathrm{\λ}{P}_t+P_c}---\left(1\right)$

s.t.

$\underset{k\∈K}{\∪}{N}_k=N---3$

P_t≤P_total               (5)

电路功率包括固定的偏执功率和动态功率两部分，动态功率可以表示成传输速率的线性函数，即 $P_c^k=P_{s,k}+\mathrm{\μ}{R}_k---\left(6\right),$

其中，R表示系统总速率，P_t表示系统总传输功率，P_c表示电路功率，λ表示功率放大器效率，N_k表示用户k被分配的资源块RB集合，N_k′表示用户k被分配的资源块RB集合，N表示系统中资源块RB集合，R_k表示用户k的传输速率，表示用户k服务质量要求的最小速率限制，K表示激活用户集合，P_total系统总功率限制。

根据模型确定约束条件，上述模型中第一个约束条件表示每个RB只能同时分配给一个用户，第二个约束条件表示全部RB都要分配给用户，第三个约束条件表示各用户须满足最低传输速率要求，第四个约束条件表示各个用户的总传输功率受限(功率约束条件)，μ为电路功率动态系数。

下面针对本发明的联合动态资源分配方法进行说明，具体流程示意图如图1所示，包括：参数初始化；用户-RB调度；速率分配；功率分配。其中，

参数初始化可包括对如下参数的初始化：系统总带宽为W，RB数目N，用户数目K，各用户的最小速率要求各个用户在各信道上的平均信道增益h_k,n，其中，k＝1,2，…，K；n＝1,2，…，N，噪声功率为σ²，各用户允许的最大传输功率为各用户的电路功率为单个RB带宽为B，各用户在各信道的信道增益噪声比(CNR)为g_k,n；根据系统总带宽W和RB的数目计算每个RB的带宽B＝W/N；根据信道增益和噪声功率计算各用户在各信道的信道增益噪声比g_k,n＝|h_k,n|²/σ₂。初始化功率放大器的效率λ，各个用户电路功率的偏置功率P_s,k，k＝1,2，…，K。

用户RB调度对所有用户进行RB分配，且每个RB只能分配给一个用户，具体可包括如下分配步骤：

(21)把每个用户已分配的RB集合N_k设为空集未分配RB集合为全集N_RB{1,2，...，N}，各用户已分配的RB数目m_k＝0，未分配RB的用户集合记为K_un，用户集合为K{1，2，...，K}；

(22)根据所有用户的信道信息增益矩阵H，选取信道信息增益矩阵H中信道信息增益h_k,n最大的RB，即为信道增益最大的用户，基站eNB在信道信息增益h_k,n最大的RB上调度相应的用户更新用户已分配的RB集合已分配的BR数目m_k：m_k ^‘＝m_k+1、未分配的RB集合N_RB：未分配RB的用户集合K_un：(其中带“‘”的为更新后的值)为用户分配无任何约束条件下能效最优时所对应的极值传输速率确定用户所需的传输功率，可根据香农公式计算，如果传输功率满足最优化能效模型中功率约束条件，则该用户RB分配完毕，否则对不满足传输功率约束条件的用户进行二次调度，在未分配的RB中为用户选择信道增益最大的RB进行调度，并重新计算所需的传输功率。

其中， ${R_{\hat{k}}}^{*}=\frac{{\hat{n}}_{\hat{k}}B}{\ln 2}{W}_0\left[(\frac{P_{s,\hat{k}}}{{\hat{n}}_{\hat{k}}\mathrm{\λ}}-\frac{1}{{\hat{n}}_{\hat{k}}}\frac{1}{{\hat{g}}_{\hat{k},{\hat{n}}_{\hat{k}}}}){\left({\hat{g}}_{\hat{k},{\hat{n}}_{\hat{k}}}\right)}^{1/{\hat{n}}_{\hat{k}}}{e}^{-1}\right]---\left(7\right)$

“\”运算表示从集合中去除某个元素。

重复上述步骤，直至所有用户所需的传输功率满足其功率约束条件或所有RB分配完毕，算法结束；

用户-RB调度完成后，进行各用户的速率分配，具体包括如下步骤：

(31)计算各个用户在满功率发射使得频谱效率最大时所对应的速率这里，速率的可通过如下公式计算获得： ${\hat{R}}_k=\underset{n=1}{\overset{N_k}{\mathrm{\Σ}}}B{\log }_2(1+\frac{{{\hat{P}}_t}^k}{{|N}_k|}{g}_{k,n})---\left(8\right)$

(32)计算各个用户在已分配的RB集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的极值速率R_k ^*；

(33)计算各个用户满足频谱效率约束要求下的最优能效时的速率：

(34)当时，则用户k的传输速率由极值速率调整为当时，R_k,opt＝R_k ^*，则用户k的传输速率保持极值速率不变；当时，则用户k的传输速率由极值速率调整为

所述功率分配根据用户-RB调度和用户的传输速率分配，进行各个用户的传输功率分配，具体包括如下步骤：

(41)计算出各个用户在已分配的RB集合及速率下的传输功率为：

${P_t}^k=\underset{k=1}{\overset{K}{\mathrm{\Σ}}}\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\frac{\mathrm{\λ}}{g_{k,n}}(2^{\frac{r_{k,n}}{B}}-1)---\left(10\right)$

进一步的，对参数进一步初始化还包括初始化功率放大器的效率倒数α，以及各个用户电路的偏置功率P_s,k，k＝1,2，…，K。

R_k ^*可通过如下方法获得：求解单个用户的能效u_k,EE，并使u_k,EE对速率求导，令导数等于零，具体为： $u_{k,\mathrm{EE}}=\frac{R_{k,\mathrm{un}}}{\mathrm{\λ}{P}_{t,\mathrm{un}}^k+P_c^k}---\left(11\right)$

其中，R_k,un，分别表示用户k无最小速率约束及功率限制时所能达到的速率和功率，然后对能效函数进行求导，

即可获得用户k在已分配的RB集合上无速率要求及无功率限制的极值速率R_k ^*：

${R_k}^{*}=\frac{\tilde{N}B}{\ln 2}{W}_0\left[(\frac{P_{s,k}}{\tilde{N}\mathrm{\λ}}-\frac{1}{\tilde{N}}\underset{i=1}{\overset{\tilde{N}}{\mathrm{\Σ}}}\frac{1}{{\tilde{g}}_{k,n}}){\left(\underset{i=1}{\overset{\tilde{N}}{\mathrm{\Π}}}{\tilde{g}}_{k,n}\right)}^{1/\tilde{N}}{e}^{-1}\right]---\left(13\right)$

其中，W₀(·)表示为Lambertw函数，为用户k已分配的RB集合中分配功率大于零的RB数目，e为自然常数，表示为按照降序排列后的信道增益噪声比。

采用本发明所述的用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，与求导区间逐步迭代逼近方法相比，有效降低了计算复杂度，更加适用于实际应用。该方法利用LTE系统能量效率为频谱效率的凸函数，而频谱效率是传输速率的增函数，即能量效率是传输速率的凸函数。当用户调度完毕，确定了RB分配后能效函数是分段可导函数，可以求解出无传输速率和传输功率约束下的速率最优值，并与最低速率和最高速率进行比较，从而得出满足双约束条件下的最优功率闭式解。该方法与现有的方法相比，不需要大量逐步逼近搜索即可求出最优解，有效降低了计算复杂度。

该方法在保证能效优化的基础上，也保证了一定的频谱效率，避免频带资源浪费，取得了频效与能效很好的折中。能效优化使通信更加节能环保，使绿色通信的实现成为可能。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的实施方法，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种适用于LTE系统中能效优化的联合动态资源分配方法，其特征在于，包括步骤：对所有用户进行资源块RB分配，每个RB分配给不同的用户，根据已分配的RB集合，进行各用户的速率分配及功率分配，其中，功率分配包括：根据所有用户的信道信息增益矩阵H，选取用户在H中信道信息增益h_k,n最大的传输信道增益，基站eNB调度用户为用户分配无功率限制要求及无速率约束条件下能效最优时所对应的极值传输速率建立最优能效模型，确定用户所需的传输功率；如果传输功率满足最优化能效模型中功率约束条件，则该用户RB分配完毕，否则，在未分配的RB中选择信道增益最大的RB为传输功率不满足最优能效模型中功率约束条件的用户进行二次调度，并重新计算所需的传输功率，直至所有用户所需的传输功率满足功率约束条件或所有RB分配完毕。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，基站eNB调度用户进一步包括：根据公式：更新用户已分配的RB集合，根据公式：m_k＝m_k+1更新已分配的RB数目，根据公式：更新未分配的RB集合，根据公式：更新未分配RB的用户集合，其中，表示分配给用户的资源块RB，表示用户已分配的RB集合，m_k表示已分配的资源块RB数目，κ_un表示未分配资源块RB的用户集合。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对各用户进行速率分配具体包括：计算各个用户在满功率发射使得频谱效率最大时所对应的速率计算各个用户在已分配的RB集合上无功率限制要求及无速率约束条件下的极值速率R_k ^*，根据各用户要求的最小速率调用公式： 获取满足用户QoS约束条件下的最优传输速率。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，根据已分配的RB集合和用户的速率进行各个用户的功率分配，具体包括：根据公式：计算各个用户在已分配的RB集合及速率下的传输功率，其中，表示用户的传输功率，λ表示功率放大器效率，g_k,n表示用户k在资源块RBn上的信道增益噪声比。r_k,n表示用户k在资源块n上的传输功率，B表示资源块RBn的带宽。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，当时，用户k的传输速率由极值速率调整为当时，用户k的传输速率保持极值速率；当时，用户k的传输速率由极值速率调整为

6.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，根据公式：

计算用户k在已分配的RB集合上无速率要求及无功率限制的极限速率R_k ^*，其中，W₀(·)表示为Lambertw函数，为用户k已分配的RB集合中分配功率大于零的RB数目，e为自然常数，为按照降序排列后的信道增益噪声比，P_s,k各为各个用户电路的偏置功率，B为带宽。