CN108093482B - 一种无线信息中心网络资源分配的优化方法 - Google Patents

一种无线信息中心网络资源分配的优化方法 Download PDF

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CN108093482B CN201711310178.6A CN201711310178A CN108093482B CN 108093482 B CN108093482 B CN 108093482B CN 201711310178 A CN201711310178 A CN 201711310178A CN 108093482 B CN108093482 B CN 108093482B
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Abstract

本发明提供一种无线信息中心网络资源分配的优化方法，能够最大限度地提高能量效率。所述方法包括：S101，确定基站的平均缓存增益；S102，基于得到的基站的平均缓存增益，确定使得基站到用户终端的能量效率取得最大值时的基站和用户终端，根据取得最大值时的基站和用户终端更新预先设置的用户关联矩阵和缓存关联矩阵；S103，根据确定的拉格朗日算子优化用户关联矩阵，根据用户关联矩阵的优化结果，利用原始对偶内点法对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新；S104，若重新计算得到的基站到用户终端的能量效率值与预设值之间的差值在预设的范围内，则当前输出的基站到用户终端的发射功率为功率最优分配。本发明涉及无线通信领域。

Description

一种无线信息中心网络资源分配的优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信领域，特别是指一种无线信息中心网络资源分配的优化方法。
背景技术
5G指的是第五代移动通信，是继4G之后的延伸。但与4G、3G和2G不同的是，5G并不是一个单一的无线接入技术，而是多种新型无线接入技术和现有无线接入技术演进集成后的解决方案的总称。如今5G网络又开始进入人们的视线，业界普遍认为用户体验速率是5G最重要的性能指标。5G的技术特点可以用几个数字来概括：1000x的容量提升、1000亿+的连接支持、10GB/s的最高速度、1ms以下的延迟。从用户体验看，5G具有更高的速率、更宽的带宽，预计5G网速将比4G提高10倍左右，只需要几秒即可下载一部高清电影，能够满足消费者对虚拟现实、超高清视频等更高的网络体验需求。从行业应用看，5G具有更高的可靠性，更低的时延，能够满足智能制造、自动驾驶等行业应用的特定需求，拓宽融合产业的发展空间，支撑经济社会创新发展。从发展态势看，5G目前还处于技术标准的研究阶段，今后几年4G还将保持主导地位、实现持续高速发展。但5G有望2020年正式商用。但是，在未来的无线通信网络中，无论是用户还是商户对于占用网络流量较大的资源的需求日益增长，如何快速有效地进行分发大流量的业务内容，增强网络质量，确保网络畅通，实现无线资源的优化，成为5G及未来移动通信技术发展过程中有待解决的问题。
当今主流应用的无线网络分为通过公众移动通信网实现的无线网络(如4G，3G)和无线局域网(WiFi)两种方式。目前的无线网络优化主要是通过对现已运行的网络进行话务数据分析、现场测试数据采集、参数分析、硬件检查等手段，找出影响网络质量的原因，并且通过参数的修改、网络结构的调整、设备配置的调整和采取某些技术手段(采用MRP的规划办法等)，确保系统高质量的运行，使现有网络资源获得最佳效益，以最经济的投入获得最大的收益。
而未来无线网络中加入了缓存(caching)后，未来无线网络中通过无线资源分配能够实现容量最大化或能效最大化。所谓缓存就是数据交换的缓冲区(称作Cache)，当某一硬件要读取数据时，会首先从缓存中查找需要的数据，如果找到了则直接执行，找不到的话则从内存中找。由于缓存的运行速度比内存快得多，故缓存的作用就是帮助硬件更快地运行。
与此同时，随着互联网上通信业务量日益激增，使得因特网传统的客户端和远程服务器之间点对点通信方式呈现出越来越多的不足之处，如大量信息的冗余造成资源的浪费以及系统复杂性高等，为了更好地处理这种使用情况,新的以信息为中心的网络(Information-Centric Networking，ICN)针对未来互联网的设计建议越来越受欢迎。ICN是一种新的模式,旨在通过在每个网络设备上支持缓存和多播内容交付来提高当今互联网的性能。但目前在国内外的研究成果中，还尚未提出一种可行性强的ICN工作机制。并且，随着移动用户数量的剧增，近年来无线通信领域带来的能源消耗是非常巨大的，针对我国环境污染严重以及能源日益紧缺的国情，绿色通信必然是值得研究与探索的方向，因此，在保证满足用户数据需求以及服务质量的基础上，通过合理的资源分配方式实现更高的能量有效性是一个重要的研究方向，但是，现有技术中，还没有有效的方法能够使能量有效性最大化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无线信息中心网络资源分配的优化方法，能够使能量有效性最大化。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种无线信息中心网络资源分配的优化方法，包括：
S101，将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，得到基站的平均缓存增益；
S102，基于得到的基站的平均缓存增益，确定使得基站到用户终端的能量效率取得最大值时的基站和用户终端，根据取得最大值时的基站和用户终端更新预先设置的用户关联矩阵和缓存关联矩阵；
S103，确定拉格朗日算子，根据确定的拉格朗日算子优化用户关联矩阵，根据用户关联矩阵的优化结果，利用原始对偶内点法对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新；
S104，利用S103中更新后的用户关联矩阵和缓存关联矩阵，计算基站到用户终端的能量效率值，若基站到用户终端的能量效率值与预设值之间的差值在预设的范围内，则当前输出的基站到用户终端的发射功率为功率最优分配；否则，返回S103继续执行。
进一步地，所述基站的平均缓存增益表示为：
Figure BDA0001502829810000031
其中，△Cj表示基站j的平均缓存增益；
Figure BDA0001502829810000032
表示基站j的传播速率；K表示用户终端的集合；xj,k为用户关联指示符，是用户关联矩阵中的元素，表示用户终端k与基站j的连接状况；zj,k为缓存关联指示符，是缓存关联矩阵中的元素，表示用户终端k是否申请到基站j的缓存资源。
进一步地，基站到用户终端的能量效率表示为：
其中，ηj,k表示基站j到用户终端k的能量效率，B表示信道带宽，rj,k表示基站j到用户终端k的信息传输速率，
Figure BDA0001502829810000034
表示第一优化分配参数，
Figure BDA0001502829810000035
yj,k表示无线资源从基站j到用户终端k的百分比，UP(X,P)表示关于用户关联矩阵X和功率分配矩阵P的效用函数。
进一步地，基站j到用户终端k的信息传输速率表示为：
rj,k＝log2(1+γj,k)
γj,k＝gj,kpj,k/(∑l.l≠jgl,kpl,k+σ)
其中，γj,k表示用户终端k从基站j获得的信号信噪比，pj,k表示基站j到用户终端k的发射功率，gj,k表示用户终端k与基站j之间的信道容量，gl,k表示用户终端k与除基站j外的其他基站之间的信道容量，pl,k表示除基站j外的其他基站到用户终端k的发射功率，σ表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
进一步地，UP(X,P)表示为：
Figure BDA0001502829810000041
其中，pc表示电路消耗功率，ψ表示能量收集系数。
进一步地，拉格朗日算子表示为：
Figure BDA0001502829810000042
其中，表示关联于限定条件的第t+1次迭代时的拉格朗日算子，
Figure BDA0001502829810000044
表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，ρ表示拉格朗日参数，
Figure BDA0001502829810000045
表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，x(t+1)表示第t+1次迭代时所有用户终端与各基站的连接状况。
进一步地，用户关联矩阵的优化公式表示为：
Figure BDA0001502829810000046
其中，J表示基站的集合，
Figure BDA0001502829810000047
表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，
Figure BDA0001502829810000048
表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，
Figure BDA0001502829810000049
表示t+1次迭代时用户终端k与除基站j外的其他基站的连接状况，
Figure BDA00015028298100000410
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况。
进一步地，通过第一公式对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新，所示第一公式表示为：
Figure BDA00015028298100000411
其中，
Figure BDA00015028298100000412
表示所有用户终端与基站j的连接状况；
Figure BDA00015028298100000413
表示第二优化分配参数，
Figure BDA00015028298100000414
uj(.)表示基站j对应的效用函数；
Figure BDA00015028298100000415
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况，
Figure BDA00015028298100000416
表示第t次迭代时的用户终端k与基站l的连接状况。
进一步地，uj(·)表示为：
其中，χj表示限定条件；
Figure BDA0001502829810000052
表示用户终端k与对任意基站的连接状况全看成是在用户终端k与基站j的连接状况；
Figure BDA0001502829810000053
表示从基站j到用户终端k的可达速率。
进一步地，所述限定条件表示为：
Figure BDA0001502829810000055
其中，Rj,k表示用户终端k到基站j的最大传播速率，Cj表示基站j的最大信道传递速率；Zj表示基站j的最大缓存量，Pmax表示发射功率阈值，Ij表示基站j的最大干扰约束值。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，在考虑了每个基站的缓存增益的基础上，以能效最大化为原则，在循环迭代中使用原始对偶内点法并联合用户关联矩阵和缓存关联矩阵，确定基站到用户终端的功率最优分配，从而最大限度地提高能量效率以及移动虚拟运营商的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无线信息中心网络资源分配的优化方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施例提供的无线信息中心网络资源分配的优化方法，包括：
S101，将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，得到基站的平均缓存增益；
S102，基于得到的基站的平均缓存增益，确定使得基站到用户终端的能量效率取得最大值时的基站和用户终端，根据取得最大值时的基站和用户终端更新预先设置的用户关联矩阵和缓存关联矩阵；
S103，确定拉格朗日算子，根据确定的拉格朗日算子优化用户关联矩阵，根据用户关联矩阵的优化结果，利用原始对偶内点法对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新；
S104，利用S103中更新后的用户关联矩阵和缓存关联矩阵，计算基站到用户终端的能量效率值，若基站到用户终端的能量效率值与预设值之间的差值在预设的范围内，则当前输出的基站到用户终端的发射功率为功率最优分配；否则，返回S103继续执行。
本发明实施例所述的无线信息中心网络资源分配的优化方法，将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，在考虑了每个基站的缓存增益的基础上，以能效最大化为原则，在循环迭代中使用原始对偶内点法并联合用户关联矩阵和缓存关联矩阵，确定基站到用户终端的功率最优分配，从而最大限度地提高能量效率以及移动虚拟运营商的经济效益。
为了更好地理解本实施提供的无线信息中心网络资源分配的优化方法，对本实施例所述的无线信息中心网络资源分配的优化方法进行说明，其具体步骤可以包括：
A11：将20个基站(BS)和30个用户终端(UE)在以移动虚拟运营商为中心的一定区域内撒点分布，并初始化基站以及用户终端的参数，所述参数包括但不限于：BSj到UEk的初始发射功率pj,k，信道带宽B，电路消耗功率pc等，其中，BSj表示基站j，UEk表示用户终端k，同时初始化用户关联矩阵X和缓存关联矩阵Z，初始化得到的用户关联矩阵X和缓存关联矩阵Z作为后续用户关联矩阵优化和计算平均缓存增益的依据。
本实施例中，用户关联矩阵X中的元素可以用用户关联指示符xj,k表示，xj,k表示表示用户终端k与基站j的连接状况，在具体应用中，例如，可以用二进制1(xj,k＝1)表示用户终端k与基站j处于连接状态，用二进制0(xj,k＝0)表示用户终端k与基站j处于断开状态。
本实施例中，缓存关联矩阵Z的元素可以用缓存关联指示符zj,k表示，zj,k表示用户终端k是否申请到基站j的缓存资源，在具体应用中，例如，可以用二进制1(zj,k＝1)表示用户终端k是申请到基站j的缓存资源，用二进制0(zj,k＝0)表示用户终端k未申请到基站j的缓存资源。
A12：计算基站的平均缓存增益的，具体的：将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，得到基站j的平均缓存增益△Cj：
其中，
Figure BDA0001502829810000072
表示基站j的传播速率；K表示用户终端的集合。
A13：计算BSj到UEk的信息传输速率rj,k，rj,k是一个SINR的对数函数，计算公式为rj,k＝log2(1+γj,k)，γj,k＝gj,kpj,k/(∑l.l≠jgl,kpl,k+σ)，其中，γj,k表示用户终端k从基站j获得的信号信噪比，pj,k表示基站j到用户终端k的发射功率，gj,k表示用户终端k与基站j之间的信道容量，gl,k表示用户终端k与除基站j外的其他基站之间的信道容量，pl,k表示除基站j外的其他基站到用户终端k的发射功率，σ表示加性高斯白噪声的功率谱密度。
A14：根据得到的BSj到UEk的信息传输速率rj,k，计算BSj到UEk的能量效率ηj,k，ηj,k表示为：
Figure BDA0001502829810000073
其中，
Figure BDA0001502829810000074
表示第一优化分配参数，
Figure BDA0001502829810000075
表示无线资源从基站j到用户终端k的百分比，任意的yj,k≤1；UP(X,P)表示关于用户关联矩阵X和功率分配矩阵P的效用函数；ηj,k的下标j,k为协同规则，即使得UE的ηj,k取得最大值时的BS，同时更新用户关联矩阵X和缓存关联矩阵Z。
本实施例中，UP(X,P)表示为：
Figure BDA0001502829810000081
其中，pc表示电路消耗功率，ψ表示能量收集系数。
A15：可以利用蒙特卡洛循环更新拉格朗日算子λ(t+1)，并相似地求得用户关联矩阵的的更新公式，在循环迭代中用于对用户关联矩阵进行更新，其中，
拉格朗日算子表示为：
Figure BDA0001502829810000082
其中，表示关联于限定条件的第t+1次迭代时的拉格朗日算子，
Figure BDA0001502829810000084
表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，ρ表示拉格朗日参数，
Figure BDA0001502829810000085
表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，x(t+1)表示第t+1次迭代时所有用户终端与各基站的连接状况。
用户关联矩阵的优化公式表示为：
Figure BDA0001502829810000086
其中，J表示基站的集合，表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，
Figure BDA0001502829810000088
表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，表示t+1次迭代时用户终端k与除基站j外的其他基站的连接状况，
Figure BDA00015028298100000810
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况。
A16：利用原始对偶内点法计算出
Figure BDA00015028298100000811
从而实现对特定基站(基站j)的用户关联矩阵和缓存关联矩阵的更新，其中，
Figure BDA00015028298100000812
表示为：
Figure BDA00015028298100000813
其中，
Figure BDA00015028298100000814
表示所有用户终端与基站j的连接状况；
Figure BDA00015028298100000815
表示第二优化分配参数，
Figure BDA00015028298100000816
uj(·)表示基站j对应的效用函数；
Figure BDA00015028298100000817
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况，
Figure BDA0001502829810000091
表示第t次迭代时的用户终端k与基站l的连接状况。
本实施例中，uj(·)表示为：
Figure BDA0001502829810000092
其中，χj表示限定条件；
Figure BDA0001502829810000093
表示用户终端k与对任意基站的连接状况全看成是在用户终端k与基站j的连接状况；
Figure BDA0001502829810000094
表示从基站j到用户终端k的可达速率。
本实施例中，限定条件χj表示为：
Figure BDA0001502829810000096
其中，Rj,k表示用户终端k到基站j的最大传播速率，Cj表示基站j的最大信道传递速率；Zj表示基站j的最大缓存量，Pmax表示发射功率阈值，Ij表示基站j的最大干扰约束值。
本实施例中，条件1
Figure BDA0001502829810000097
强制用户终端只能同时与一个基站相关联；条件2
Figure BDA0001502829810000098
和条件3
Figure BDA0001502829810000099
反映了由基站服务的所有用户终端的分配资源总和不能超过总无线电资源和回程带宽。条件5
Figure BDA00015028298100000910
是对从基站j到用户终端k的最大发射功率的限制。条件6
Figure BDA00015028298100000911
是一种有效的干扰协调机制。
本实施例中，随着迭代次数t的累加，ηj,k会逐渐趋向于一个定值，从而实现对功率分配的优化。
A17：由步骤A16更新后得到的用户关联矩阵和缓存关联矩阵，更新基站的平均缓存增益。
A18：由步骤A16更新后得到的用户关联矩阵和步骤A17更新得到的基站的平均缓存增益带入步骤A14重新计算基站到用户终端的能量效率值，若重新计算得到的基站到用户终端的能量效率值ηj,k与预设值之间的差值在预设的范围内，则当前输出的用户关联矩阵为最佳用户关联矩阵，当前输出的基站到用户终端的发射功率为功率最优分配；否则，继续执行步骤A15，直至重新计算得到的基站到用户终端的能量效率值ηj,k与预设值之间的差值在预设的范围内(也就是趋于定值)，此时，达到最佳优化。
A19：将步骤A18中求得的最佳用户关联矩阵以及最优功率分配，带入能量效率进行计算，得到能量效率值ηj,k。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种无线信息中心网络资源分配的优化方法，其特征在于，包括：
S101，将返程带宽的减缓等效为缓存的增益，得到基站的平均缓存增益；
S102，基于得到的基站的平均缓存增益，确定使得基站到用户终端的能量效率取得最大值时的基站和用户终端，根据取得最大值时的基站和用户终端更新预先设置的用户关联矩阵和缓存关联矩阵；
S103，确定拉格朗日算子，根据确定的拉格朗日算子优化用户关联矩阵，根据用户关联矩阵的优化结果，利用原始对偶内点法对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新；
S104，利用S103中更新后的用户关联矩阵和缓存关联矩阵，计算基站到用户终端的能量效率值，若基站到用户终端的能量效率值与预设值之间的差值在预设的范围内，则当前输出的基站到用户终端的发射功率为功率最优分配；否则，返回S103继续执行；
其中，所述基站的平均缓存增益表示为：
Figure FDA0002228527100000011
其中，△Cj表示基站j的平均缓存增益；Rj表示基站j的传播速率；K表示用户终端的集合；xj,k为用户关联指示符，是用户关联矩阵中的元素，表示用户终端k与基站j的连接状况；zj,k为缓存关联指示符，是缓存关联矩阵中的元素，表示用户终端k是否申请到基站j的缓存资源；
其中，基站到用户终端的能量效率表示为：
Figure FDA0002228527100000012
其中，ηj,k表示基站j到用户终端k的能量效率，B表示信道带宽，rj,k表示基站j到用户终端k的信息传输速率，
Figure FDA0002228527100000013
表示第一优化分配参数，
Figure FDA0002228527100000014
yj,k表示无线资源从基站j到用户终端k的百分比，UP(X,P)表示关于用户关联矩阵X和功率分配矩阵P的效用函数；
其中，基站j到用户终端k的信息传输速率表示为：
rj,k＝log2(1+γj,k)
γj,k＝gj,kpj,k/(∑l.l≠jgl,kpl,k+σ)
其中，γj,k表示用户终端k从基站j获得的信号信噪比，pj,k表示基站j到用户终端k的发射功率，gj,k表示用户终端k与基站j之间的信道容量，gl,k表示用户终端k与除基站j外的其他基站之间的信道容量，pl,k表示除基站j外的其他基站到用户终端k的发射功率，σ表示加性高斯白噪声的功率谱密度；
其中，拉格朗日算子表示为：
其中，
Figure FDA0002228527100000022
表示关联于限定条件的第t+1次迭代时的拉格朗日算子，
Figure FDA0002228527100000023
表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，ρ表示拉格朗日参数，
Figure FDA0002228527100000024
表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，x(t+1)表示第t+1次迭代时所有用户终端与各基站的连接状况；
其中，用户关联矩阵的优化公式表示为：
Figure FDA0002228527100000025
其中，J表示基站的集合，
Figure FDA0002228527100000026
表示第t+1次迭代时所有用户终端与基站j的连接状况，表示关联于限定条件的第t次迭代时的拉格朗日算子，
Figure FDA0002228527100000028
表示t+1次迭代时用户终端k与除基站j外的其他基站的连接状况，
Figure FDA0002228527100000029
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况；
其中，通过第一公式对特定基站的用户关联矩阵和缓存关联矩阵进行更新，所示第一公式表示为：
Figure FDA00022285271000000210
其中，
Figure FDA00022285271000000211
表示所有用户终端与基站j的连接状况；
Figure FDA00022285271000000212
表示第二优化分配参数，
Figure FDA00022285271000000213
uj(·)表示基站j对应的效用函数；
Figure FDA00022285271000000214
表示用户终端k与除基站j外的其他基站的初始连接状况，
Figure FDA0002228527100000031
表示第t次迭代时的用户终端k与基站l的连接状况；
其中，uj(·)表示为：
Figure FDA0002228527100000032
其中，χj表示限定条件；
Figure FDA0002228527100000033
表示用户终端k与对任意基站的连接状况全看成是在用户终端k与基站j的连接状况；
Figure FDA0002228527100000034
Figure FDA0002228527100000035
表示从基站j到用户终端k的可达速率；
其中，所述限定条件表示为：
Figure FDA0002228527100000036
其中，Rj,k表示用户终端k到基站j的最大传播速率，Cj表示基站j的最大信道传递速率；Zj表示基站j的最大缓存量，Pmax表示发射功率阈值，Ij表示基站j的最大干扰约束值。
2.根据权利要求1所述的无线信息中心网络资源分配的优化方法，其特征在于，UP(X,P)表示为：
其中，pc表示电路消耗功率，ψ表示能量收集系数。
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