CN105848293A - 异构无线网络中协作功率最优分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异构无线网络中协作功率最优分配方法，适用于异构无线网络中无线用户终端与基站之间的数据传输，具体包括：1)无线用户终端在时隙Ts发送数据信息时，将多种异构无线通信制式的发射功率归零；2)给定时隙Ts的总发射功率P_t，并通过信道估计方法获取多种异构无线通信制式的瞬时信道状态信息；3)无线用户终端对多种通信制式进行最优功率分配，并以此进行数据传输。本发明通过充分利用异构无线网络中的多种无线通信制式进行协作数据传输，在发射功率不变的条件下增大了系统总传输容量，提高了能量效率；同时给出了最优功率分配的解析表达式，相比于迭代计算数值解节省了时间。

Description

异构无线网络中协作功率最优分配方法

技术领域

本发明涉及无线通信网络技术领域，尤其是异构无线网络中使系统能效最大化的功率分配方法。

背景技术

在过去的十几年中，全球移动通信技术发展迅速。除了原始的语音业务，数据业务也获得了迅猛增长。因此无线网络系统必须拥有更大的容量，来满足人们日益增长的无线业务需求。在此背景下，异构无线网络(heterogeneous network)应运而生，它是指多种不同无线接入技术的共存体。各种异构的无线通信系统通过有机融合的方式，达到互为补充的目的，以此综合发挥各自的技术优势，满足无线用户的通信需求。现有无线网络的异构特性主要包括：1)不同代际的蜂窝移动通信系统间的异构性，2)同一代蜂窝移动通信系统中不同标准制式间的异构性，以及3)蜂窝移动通信系统与无线局域网和蓝牙等其它无线系统间的异构性。

进入新世纪以来，人们越来越关心环境问题，尤其是能源问题。无线移动通信网络中的能耗问题也引起了学术界和工业界的广泛关注。因此，绿色通信的概念孕育而生，越来越多的研究人员开始探索更高能量效率(EE，Energy Efficiency)的无线传输方法，即在保证无线用户的通信需求与服务质量的前提下，尽可能地节省无线通信系统的能量消耗。一般情况下，能量效率可以用来衡量无线系统的节能效果，其定义为发送每信息比特所需的焦耳能量，或消耗每焦耳能量所能传输的信息比特数。

时下的无线通信终端设备(如智能手机)一般支持多种无线接入方式，包括第二代(2G,Second Generation)、第三代(3G,Third Generation)和第四代(4G,Fourth Generation)移动通信等不同代际的蜂窝通信制式，再加上无线局域网Wi-Fi(Wireless-Fidelity)和蓝牙等其它短距离通信标准。在如此异构的蜂窝无线网络中，无线用户终端首先需要进行通信制式选择，即选择一种最佳的标准制式与基站(BS，Base Station)进行数据通信，这种方法称为制式选择切换。本质上，这种传统的制式选择切换就是通过将无线终端的全部发射功率分配给某一种被选择的通信制式，并没有将无线终端的发射功率同时分配至不同的标准制式，以最大化无线传输容量。

发明内容

本发明提供一种在异构无线网络中协作功率最优分配方法，在发射功率一定的条件下最大化系统的传输容量，提高无线传输的能量效率。

异构无线网络中协作功率最优分配方法,包括：

A1、功率初始化,无线用户终端在时隙Ts发送数据时，将多种异构无线通信制式的发射功率归零，即P_i＝0(i＝1，2，...，m)，其中m表示无线用户终端所支持的无线通信制式数目，Ts＝T₁,T₂,…,Tmax，Tmax表示数据传输所需的最大时隙数目；

A2、获取信道容量信息，

(1)无线信道中无线用户终端的发射功率P_i与基站的接收功率P_r关系为：

$P_r=\frac{P_i{G}_r{G}_s{c}^2}{{\left(4{\mathrm{\πf}}_i\right)}^2}{d}^{-n}{\left|h_i\right|}^2$

式中c为光速，G_r为基站的接收天线增益，G_s为无线用户终端的发射天线增益，f_i为第i种无线通信制式的工作频率，d为无线用户终端至基站的距离，n为无线信道中的衰落因子，h_i为第i种无线通信制式的瞬时信道状态信息；

(2)将无线用户终端使用第i种无线通信制式通信时的接收功率P_ri与发射功率P_i的比值记为k_i，即

$k_i=\frac{P_{ri}}{P_i}=\frac{G_r{G}_s{c}^2}{{\left(4{\mathrm{\πf}}_i\right)}^2}{d}^{-n}{\left|h_i\right|}^2$

此时对于第i种无线通信制式，其信道容量可由下式计算得出：

$C_i=B_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})$

P_i表示第i种无线通信制式的发射功率；

A3、最优功率分配，

混合m种无线通信制式的异构系统信道容量C为：

$C=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})$

其中B_i表示各种无线通信制式的频谱带宽，P_i表示终端分配给不同通信制式的发射功率，k_i表示接收功率P_r与发射功率P_s的比值，N表示系统中的热噪声功率谱密度，N＝KT，式中K为玻尔兹曼常量，T为当前温度；

当无线用户终端的发射功率P_t给定时，优化问题转化为：

$\begin{array}{cc}\max & C=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i-P_t=0\\ & \begin{array}{cc}{P}_i\≥0& i=1,2,\mathrm{...},m\end{array}\end{array}$

求解得到最优功率分配P_i；

A4、发射功率P_i均为非负时，无线用户终端将P_i分配至各相应的无线通信制式；否则，当某些P_i为负时，令所有为负的P_i等于零，其对应的无线通信制式不再参与功率分配的重新计算，继续分配其他不为负的P_i，直至所有P_i均为非负，得到最优功率分配方案，无线用户终端将P_i分配至各种无线通信制式进行数据传输；当前Ts时隙传输结束，进入下一时隙，重复执行A1～A4。

A3中所述求解得到最优功率分配P_i的具体过程为：

采用拉格朗日乘子法，首先构造拉格朗日函数L，

$L(P_i,\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i-P_t)$

其中λ≥0表示拉格朗日乘子，分别对各个自变量P_i以及λ求偏导数并使其等于零，得乘子λ的表达式为

$\mathrm{\λ}=\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i\right)\·{\[{\log }_2(P_t+\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{B_{i}N}{k_i})\]}^{-1}$

进一步得发射功率P_i

$P_i=\[B_i(P_t+{\Σ}_{i=1}^m\frac{B_{i}N}{k_i})\]{\left({\Σ}_{i=1}^m{B}_i\right)}^{-1}-\frac{B_{i}N}{k_i}.$

本发明通过充分利用异构无线网络中的多种无线通信制式进行协作数据传输，在发射功率不变的条件下增大了系统总传输容量，提高了能量效率；同时给出了最优功率分配的解析表达式，相比于迭代计算数值解节省了时间。

附图说明

图1为本发明异构无线网络中协作功率最优分配方法所应用的典型场景图；

图2为本发明异构无线网络中协作功率最优分配方法实施例流程图；

图3为在发射功率P_t不同的情况下，本发明的方案与传统GSM、WCDMA、FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比；

图4为在传输距离d不同的情况下，本发明的方案与传统GSM，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的能量效率仿真图对比；

图5为在发射功率P_t不同的情况下，本发明的方案与传统Wi-Fi、WCDMA、FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比；

图6为在传输距离d不同的情况下，本发明的方案与传统Wi-Fi，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的能量效率仿真图对比；

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供在蜂窝异构无线网络中基于能量效率的协作功率最优分配方法，适用于蜂窝异构无线网络中无线用户终端与基站之间的数据传输。以包含GSM，WCDMA，FDD-LTE，Wi-Fi等4种无线通信制式的系统为例对本发明的方法做具体说明，其典型场景如图1所示。本实施例中无线终端最多支持3种制式同时传输，因此分为包含GSM，WCDMA，FDD-LTE3种制式和包含WCDMA，FDD-LTE，Wi-Fi3种制式共两种情况。

1)无线用户终端在时隙Ts(Ts＝1,2,…,100)发送数据信息时，将多种异构无线通信制式的发射功率归零，即P_i＝0(i＝1，2，3，4)，其中无线用户终端所支持的无线通信制式数目为3，这里P₁表示GSM制式的发射功率，P₂表示WCDMA制式的发射功率，P₃表示FDD-LTE制式的发射功率，P₄表示Wi-Fi制式的发射功率；

2)给定时隙Ts的总发射功率P_t，其中c为光速，取3*10⁸米每秒；G_r为接收端天线增益，即基站的接收天线增益，Wi-Fi取3dBi，其余制式取5dBi；G_s为发射端天线增益，即无线用户终端的发射天线增益，取0dBi；f_i为第i种无线通信制式的工作频率,GSM为900MHz，WCDMA为1900MHz，FDD-LTE为2300MHz，Wi-Fi为2400MHz；n为无线信道中的衰落因子，取2.8；h_i为第i种无线通信制式的瞬时信道状态信息，其均值均设定为0.3。

3)无线用户终端利用下式对多种无线通信制式进行最优功率分配，进行数据传输，

4)传输结束进入下一个时隙，重新执行步骤1)。

图3为距离为200米时，逐渐增大发射功率P_t，本实施例的方法与传统GSM，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比。

图4为发射功率为0.01瓦，改变基站与无线用户终端的距离d时，本实施例的方法与传统GSM，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比。

图5为距离为200米时，逐渐增大发射功率P_t，本实施例的方法与传统Wi-Fi，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比。

图6为发射功率为0.01瓦，改变基站与无线用户终端的距离d时，本实施例的方法与传统Wi-Fi，WCDMA，FDD-LTE和制式选择切换的信道容量仿真图对比。可见在给定的信道模型中新方案无论是信道容量还是能量效率都优于传统的制式选择切换方案。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述实施方式所公开的技术手段，还包括由以上技术特征任意组合所组成的技术方案。

Claims (2)

1.异构无线网络中协作功率最优分配方法,其特征在于,包括

A1、功率初始化,无线用户终端在时隙Ts发送数据时，将多种异构无线通信制式的发射功率归零，即P_i＝0(i＝1，2，…，m)，其中m表示无线用户终端所支持的无线通信制式数目，Ts＝T₁,T₂,…,Tmax，Tmax表示数据传输所需的最大时隙数目；

A2、获取信道容量信息，

(1)无线信道中无线用户终端的发射功率P_i与基站的接收功率P_r关系为：

$P_r=\frac{P_i{G}_r{G}_s{c}^2}{{\left(4{\mathrm{\πf}}_i\right)}^2}{d}^{-n}{\left|h_i\right|}^2$

式中c为光速，G_r为基站的接收天线增益，G_s为无线用户终端的发射天线增益，f_i为第i种无线通信制式的工作频率，d为无线用户终端至基站的距离，n为无线信道中的衰落因子，h_i为第i种无线通信制式的瞬时信道状态信息；

(2)将无线用户终端使用第i种无线通信制式通信时的接收功率P_ri与发射功率P_i的比值记为k_i，即

$k_i=\frac{P_{ri}}{P_i}=\frac{G_r{G}_s{c}^2}{{\left(4{\mathrm{\πf}}_i\right)}^2}{d}^{-n}{\left|h_i\right|}^2$

此时对于第i种无线通信制式，其信道容量可由下式计算得出：

$C_i=B_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})$

P_i表示第i种无线通信制式的发射功率；

A3、最优功率分配，

混合m种无线通信制式的异构系统信道容量C为：

$C=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})$

其中B_i表示各种无线通信制式的频谱带宽，P_i表示终端分配给不同通信制式的发射功率，k_i表示接收功率P_r与发射功率P_s的比值，N表示系统中的热噪声功率谱密度，N＝KT，式中K为玻尔兹曼常量，T为当前温度；

当无线用户终端的发射功率P_t给定时，优化问题转化为：

$\begin{array}{cc}\max & C=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})\end{array}$

$\begin{array}{cc}s.t.& \underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i-P_t=0\end{array}$

P_i≥0 i＝1，2，…，m

求解得到最优功率分配P_i；

A4、发射功率P_i均为非负时，无线用户终端将P_i分配至各相应的无线通信制式；否则，当某些P_i为负时，令所有为负的P_i等于零，其对应的无线通信制式不再参与功率分配的重新计算，继续分配其他不为负的P_i，直至所有P_i均为非负，得到最优功率分配方案，无线用户终端将P_i分配至各种无线通信制式进行数据传输；当前Ts时隙传输结束，进入下一时隙，重复执行A1～A4。

2.根据权利要求1所述的异构无线网络中协作功率最优分配方法,其特征在于,A3中所述求解得到最优功率分配P_i的具体过程为：

采用拉格朗日乘子法，首先构造拉格朗日函数L，

$L(P_i,\mathrm{\λ})=\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i{\log }_2(1+\frac{P_i{k}_i}{{\mathrm{NB}}_i})+\mathrm{\λ}(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{P}_i-P_t)$

其中λ≥0表示拉格朗日乘子，分别对各个自变量P_i以及λ求偏导数并使其等于零，得乘子λ的表达式为

$\mathrm{\λ}=\left(\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}{B}_i\right)\·{\[{\log }_2(P_t+\underset{i=1}{\overset{m}{\Σ}}\frac{B_{i}N}{k_i})\]}^{-1}$

进一步得发射功率P_i

$P_i=\[B_i(P_t+{\Σ}_{i=1}^m\frac{B_{i}N}{k_i})\]{\left({\Σ}_{i=1}^m{B}_i\right)}^{-1}-\frac{B_{i}N}{k_i}.$