CN108365902B - 一种能效型功率控制方法 - Google Patents

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CN108365902B CN201810133724.1A CN201810133724A CN108365902B CN 108365902 B CN108365902 B CN 108365902B CN 201810133724 A CN201810133724 A CN 201810133724A CN 108365902 B CN108365902 B CN 108365902B
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Abstract

本发明提供一种能效型功率控制方法，能够提高网络的能量效率。所述方法包括：S101，设置网络的频谱感知时间；S102，确定信道的平均能量效率；S103，根据确定的信道的平均能量效率，定义目标函数为最大化系统的能量效率；S104，固定目标函数中的频谱感知时间，将目标函数分解为两个子问题，求出两个子问题的近似最优解；S105，将求出的近似最优解带入S102并且累计求和，得到系统总的能量效率，并按此近似最优解在对应的频谱感知结果下对系统的信道进行功率分配；S106，改变频谱感知时间重复执行S101‑S105，获取系统能量效率最大时所对应的频谱感知时间，按照其对应的功率分配方案对信道进行功率分配。本发明涉及移动通信领域。

Description

一种能效型功率控制方法
技术领域
本发明涉及移动通信领域，特别是指一种能效型功率控制方法。
背景技术
小小区网络可以通过部署低功率接入点来有效提高频谱的覆盖范围和空间复用，因此，小小区网络已经引起了业界和学术界的广泛关注。然而，小小区网络的部署也带来了一些基本的挑战，包括频谱接入、资源分配和干扰缓解。
认知无线小小区网络可以和宏小区网络共存进一步提高宏蜂窝小区共存的系统性能。认知小小区网络接入宏小区网络的频谱有三种方式：1)频谱共享，认知小小区网络可以与宏小区网络共享频谱；2)机会频谱接入，其中认知小小区网络可以有机会地接入被检测为空闲的频谱；3)混合频谱感知，认知小小区感知信道状态，根据频谱感知结果优化功率分配。
现有技术中，认知小蜂窝网络，认知小小区的频谱感知时间和功率控制的优化还没有得到很好的研究。而且，现有的大部分工作都没有考虑基于混合频谱感知的认知小小区。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种能效型功率控制方法，能够找出能量效率最大时对应的频谱感知时间和功率分配方案，实现认知小蜂窝网络中能量效率的最大化。
为解决上述技术问题，本发明实施例提供一种能效型功率控制方法，包括：
S101，设置网络的频谱感知时间；
S102，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率，根据设置的网络的频谱感知时间和确定的每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率，其中，频谱感知是用于感知信道的占用或空闲状态；
S103，根据确定的信道的平均能量效率，定义目标函数为最大化系统的能量效率，其中，目标函数是与频谱感知时间、检测到信道n是空闲时给其分配的功率
Figure BDA0001575673060000021
检测到信道n被占用时给其分配的功率
Figure BDA0001575673060000022
有关的函数；
S104，固定目标函数中的频谱感知时间，将目标函数分解为关于
Figure BDA0001575673060000023
和
Figure BDA0001575673060000024
的两个子问题，求出两个子问题的近似最优解
Figure BDA0001575673060000025
S105，将求出的近似最优解带入S102并且累计求和，得到系统总的能量效率，并按此近似最优解在对应的频谱感知结果下对系统的信道进行功率分配；
S106，改变频谱感知时间重复执行S101-S105，获取系统能量效率最大时所对应的频谱感知时间，按照其对应的功率分配方案对信道进行功率分配。
进一步地，在S102之前所述方法包括：
根据设置的频谱感知时间，确定频谱感知门限；
根据设置的频谱感知时间和确定的频谱感知门限，确定检测错误的概率和错过检测的概率；
所述S102包括：
确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率；
根据确定的检测错误的概率、错过检测的概率及每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率。
进一步地，所述频谱感知门限表示为：
Figure BDA0001575673060000026
其中，εn表示频谱感知门限，γn表示基站监测到的信噪比，
Figure BDA0001575673060000027
表示频谱感知时间，f表示信道的载波频率，Q-1()表示Q函数的反函数，
Figure BDA0001575673060000028
表示目标检测概率，σ2表示噪声功率，n表示信道n，N表示信道的数目。
进一步地，所述检测错误的概率表示为：
Figure BDA0001575673060000029
其中，
Figure BDA00015756730600000210
表示检测错误的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure BDA00015756730600000211
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
进一步地，所述错过检测的概率表示为：
Figure BDA0001575673060000031
其中，
Figure BDA0001575673060000032
表示错过检测的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure BDA0001575673060000033
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，γn表示基站监测到的信噪比，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
进一步地，所述确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率包括：
根据基站的频谱感知结果以及每种频谱感知结果对应的功率分配，确定每种频谱感知结果对应的信道容量；
根据每种频谱感知结果对应的信道容量，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率。
进一步地，若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000034
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000035
若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000036
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000037
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000038
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000039
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure BDA00015756730600000314
对应的信道能量效率
Figure BDA00015756730600000310
其中，gss,n表示小基站在信道n上的增益，gms,n表示宏基站在信道n上的增益，Pm,n表示宏基站在信道n上的发射功率，
Figure BDA00015756730600000311
是检测到信道n是空闲时给信道n分配的功率，
Figure BDA00015756730600000312
是检测到信道n被占用时给信道n分配的功率，σ2表示噪声功率，PC表示电路消耗功率。
进一步地，信道的平均能量效率表示为：
Figure BDA00015756730600000313
其中，ηn表示信道n的平均能量效率，
Figure BDA0001575673060000041
表示信道n被占用的概率，
Figure BDA0001575673060000042
表示信道n空闲的概率，
Figure BDA0001575673060000043
表示检测错误的概率，
Figure BDA0001575673060000044
表示错过检测的概率。
进一步地，目标函数表示为：
Figure BDA0001575673060000045
其中，N表示信道的数目，
Figure BDA0001575673060000046
表示频谱感知时间，
Figure BDA0001575673060000047
表示信道n的平均能量效率，T表示每一帧中频谱感知时间的最大值。
进一步地，所述求出两个子问题的近似最优解包括：
利用拉格朗日函数和预先设置的限制条件，采用次梯度搜索算法求出两个子问题的近似最优解
Figure BDA0001575673060000048
其中，所述限制条件包括：频谱感知时间不能超过每一帧信号的发送时间，信道上分配的功率大于零且功率之和不得超过系统的最大总功率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
上述方案中，以最大化认知小蜂窝网络中的能量效率为目标，利用认知网络对信道的频谱感知能力，将频谱感知时间和信道的功率分配问题建模为非凸优化问题，在给定的频谱感知时间里将目标函数分解为两个子问题，求出信道在占用与空闲状态下的目标函数的近似最优解，通过改变感知时间得到不同的功率分配和能量效率，找出能量效率最大时对应的频谱感知时间和功率分配方案，实现认知小蜂窝网络中能量效率的最大化。
附图说明
图1为本发明实施例提供的能效型功率控制方法的流程示意图。
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能效型功率控制方法，包括：
S101，设置网络的频谱感知时间；
S102，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率，根据设置的网络的频谱感知时间和确定的每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率，其中，频谱感知是用于感知信道的占用或空闲状态；
S103，根据确定的信道的平均能量效率，定义目标函数为最大化系统的能量效率，其中，目标函数是与频谱感知时间、检测到信道n是空闲时给其分配的功率
Figure BDA0001575673060000051
检测到信道n被占用时给其分配的功率
Figure BDA0001575673060000052
有关的函数；
S104，固定目标函数中的频谱感知时间，将目标函数分解为关于
Figure BDA0001575673060000053
和
Figure BDA0001575673060000054
的两个子问题，求出两个子问题的近似最优解
Figure BDA0001575673060000055
S105，将求出的近似最优解带入S102并且累计求和，得到系统总的能量效率，并按此近似最优解在对应的频谱感知结果下对系统的信道进行功率分配；
S106，改变频谱感知时间重复执行S101-S105，获取系统能量效率最大时所对应的频谱感知时间，按照其对应的功率分配方案对信道进行功率分配。
本发明实施例所述的能效型功率控制方法，以最大化认知小蜂窝网络中的能量效率为目标，利用认知网络对信道的频谱感知能力，将频谱感知时间和信道的功率分配问题建模为非凸优化问题，在给定的频谱感知时间里将目标函数分解为两个子问题，求出信道在占用与空闲状态下的目标函数的近似最优解，通过改变感知时间得到不同的功率分配和能量效率，找出能量效率最大时对应的频谱感知时间和功率分配方案，实现认知小蜂窝网络中能量效率的最大化。
本实施例中，所述信道也可以称为子信道。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，在S102之前所述方法包括：
根据设置的频谱感知时间，确定频谱感知门限；
根据设置的频谱感知时间和确定的频谱感知门限，确定检测错误的概率和错过检测的概率；
所述S102包括：
确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率；
根据确定的检测错误的概率、错过检测的概率及每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率。
本实施例中，所述频谱感知门限是用于感知信道(也可以称为：子信道)是否是空闲/被占用的门限值。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述频谱感知门限表示为：
Figure BDA0001575673060000061
其中，εn表示频谱感知门限，γn表示基站监测到的信噪比，
Figure BDA0001575673060000062
表示频谱感知时间，f表示信道的载波频率，Q-1()表示Q函数的反函数，
Figure BDA0001575673060000063
表示目标检测概率，σ2表示噪声功率，n表示信道n，N表示信道的数目。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述检测错误的概率表示为：
Figure BDA0001575673060000064
其中，
Figure BDA0001575673060000065
表示检测错误的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure BDA0001575673060000066
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述错过检测的概率表示为：
Figure BDA0001575673060000067
其中，
Figure BDA0001575673060000068
表示错过检测的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure BDA0001575673060000069
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，γn表示基站监测到的信噪比，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率包括：
根据基站的频谱感知结果以及每种频谱感知结果对应的功率分配，确定每种频谱感知结果对应的信道容量；
根据每种频谱感知结果对应的信道容量，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率。
本实施例中，小小区网络的基站可以对子信道的占用或空闲状态进行感知，得到频谱感知结果，频谱感知结果包括四种情况：1)子信道n为空闲状态，基站的频谱感知结果为空闲；2)子信道n为空闲状态，基站的频谱感知结果为占用；3)子信道n为占用状态，基站的频谱感知结果为空闲；4)子信道n为占用状态，基站的频谱感知结果为占用。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000071
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000072
若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000073
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000074
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000075
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000076
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure BDA0001575673060000077
对应的信道能量效率
Figure BDA0001575673060000078
其中，gss,n表示小基站在信道n上的增益，gms,n表示宏基站在信道n上的增益，Pm,n表示宏基站在信道n上的发射功率，
Figure BDA0001575673060000079
是检测到信道n是空闲时给信道n分配的功率，
Figure BDA00015756730600000710
是检测到信道n被占用时给信道n分配的功率，σ2表示噪声功率，PC表示电路消耗功率。
本实施例中，小基站部署于宏基站覆盖范围内，与宏基站一起服务。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，信道的平均能量效率表示为：
Figure BDA00015756730600000711
其中，ηn表示信道n的平均能量效率，
Figure BDA00015756730600000712
表示信道n被占用的概率，
Figure BDA00015756730600000713
表示信道n空闲的概率，
Figure BDA00015756730600000714
表示检测错误的概率，
Figure BDA00015756730600000715
表示错过检测的概率。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，目标函数表示为：
Figure BDA0001575673060000081
其中，N表示信道的数目，
Figure BDA0001575673060000082
表示频谱感知时间，
Figure BDA0001575673060000083
表示信道n的平均能量效率，T表示每一帧中频谱感知时间的最大值。
在前述能效型功率控制方法的具体实施方式中，进一步地，所述求出两个子问题的近似最优解包括：
利用拉格朗日函数和预先设置的限制条件，采用次梯度搜索算法求出两个子问题的近似最优解
Figure BDA0001575673060000084
其中，所述限制条件包括：频谱感知时间不能超过每一帧信号的发送时间，信道上分配的功率大于零且功率之和不得超过系统的最大总功率。
本实施例中，所述限制条件为卡罗需-库恩-塔克条件(Karush-Kuhn-TuckerConditions，KKT)，所述KKT包括：频谱感知时间不能超过每一帧信号的发送时间，信道上分配的功率大于零且功率之和不得超过系统的最大总功率。本实施例中，以最大化认知小蜂窝网络中的能量效率为目标，利用认知网络对子信道的频谱感知能力(例如，小小区网络的基站可以对子信道的占用或空闲状态进行感知，利用基站对无线频谱使用情况的感知结果)，将频谱感知时间和子信道的功率分配问题建模为非凸优化问题，在给定的频谱感知时间里将目标函数分解为两个子问题，采用拉格朗日函数和KKT条件，以及次梯度算法求出子信道在占用与空闲状态下的目标函数的近似最优解，通过改变感知时间得到不同的功率分配和能量效率，找出能量效率最大时对应的频谱感知时间和功率分配方案，实现认知小蜂窝网络中能量效率的最大化。
为了更好地理解本发明实施例所述的能效型功率控制方法，对其进行详细说明，所述方法具体包括：
步骤1：设置网络的频谱感知时间
Figure BDA0001575673060000085
和最大总功率Pmax，并初始化信道的发射功率，例如，可以用等功率分配的方法初始化信道的发射功率。
步骤2：获取基站监测到的信噪比γn、噪声功率σ2，根据设置的频谱感知时间
Figure BDA0001575673060000086
和获取的信噪比γn和噪声功率σ2，计算频谱感知门限εn。
步骤3：根据设置的频谱感知时间
Figure BDA0001575673060000091
门限值εn、信噪比γn以及噪声功率σ2，确定检测错误的概率
Figure BDA0001575673060000092
和错过检测的概率
Figure BDA0001575673060000093
步骤4：根据基站的四种频谱感知结果和每种频谱感知结果对应的功率分配，确定每种频谱感知结果对应的信道容量Ri,n；获取电路消耗功率PC，根据每种频谱感知结果对应的信道容量Ri,n及获取的电路消耗功率PC，可以进一步求出四种可能的频谱感知结果对应的信道能量效率ηi,n。
步骤5：根据确定的信道能量效率ηi,n、检测错误的概率
Figure BDA0001575673060000094
错过检测的概率
Figure BDA0001575673060000095
信道被占用的概率
Figure BDA0001575673060000096
和信道空闲的概率
Figure BDA0001575673060000097
确定信道的平均能量效率ηn；
步骤6：定义目标函数为最大化系统的能量效率：
Figure BDA0001575673060000098
其中，
Figure BDA0001575673060000099
是频谱感知时间，
Figure BDA00015756730600000910
是检测到信道n是空闲时给信道n分配的功率，
Figure BDA00015756730600000911
是检测到信道n被占用时给信道n分配的功率，N表示子信道的个数。
步骤7：固定目标函数中的频谱感知时间
Figure BDA00015756730600000912
将目标函数分解为关于
Figure BDA00015756730600000913
和
Figure BDA00015756730600000914
的两个子问题。
步骤8：利用拉格朗日函数和预先设置的限制条件，采用次梯度搜索算法可以求出两个子问题的近似最优解
Figure BDA00015756730600000915
本实施例中，限制条件为感知时间不能超过每一帧信号的发送时间，子信道上分配的功率大于零且功率之和不得超过系统的最大总功率。在次梯度搜索算法中，可以按照需求设置迭代总次数和精度。
步骤9：将步骤8所求的近似最优解带入步骤4和步骤5，计算出所有子信道的平均能量效率ηn，再累计求和，得到系统总的能量效率，并按此近似最优解在对应的频谱感知结果下对系统的子信道进行功率分配。
步骤10：保存数据，改变频谱感知时间
Figure BDA00015756730600000916
重复执行步骤1-步骤9，找出系统能量效率最大时所对应的频谱感知时间，按照其对应的功率分配方案对子信道进行功率分配。
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 (6)

1.一种能效型功率控制方法，其特征在于，包括：
S101，设置网络的频谱感知时间；
S102，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率，根据设置的网络的频谱感知时间和确定的每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率，其中，频谱感知是用于感知信道的占用或空闲状态；
S103，根据确定的信道的平均能量效率，定义目标函数为最大化系统的能量效率，其中，目标函数是与频谱感知时间、检测到信道n是空闲时给其分配的功率
Figure FDA0002664360500000012
检测到信道n被占用时给其分配的功率
Figure FDA0002664360500000013
有关的函数；
S104，固定目标函数中的频谱感知时间，将目标函数分解为关于
Figure FDA0002664360500000014
和
Figure FDA0002664360500000015
的两个子问题，求出两个子问题的近似最优解
Figure FDA0002664360500000011
S105，将求出的近似最优解带入S102并且累计求和，得到系统总的能量效率，并按此近似最优解在对应的频谱感知结果下对系统的信道进行功率分配；
S106，改变频谱感知时间重复执行S101-S105，获取系统能量效率最大时所对应的频谱感知时间，按照其对应的功率分配方案对信道进行功率分配；
在S102之前所述方法包括：
根据设置的频谱感知时间，确定频谱感知门限；
根据设置的频谱感知时间和确定的频谱感知门限，确定检测错误的概率和错过检测的概率；
所述S102包括：
确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率；
根据确定的检测错误的概率、错过检测的概率及每种频谱感知结果对应的信道能量效率，确定信道的平均能量效率；
其中，所述确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率包括：
根据基站的频谱感知结果以及每种频谱感知结果对应的功率分配，确定每种频谱感知结果对应的信道容量；根据每种频谱感知结果对应的信道容量，确定每种频谱感知结果对应的信道能量效率；
若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure FDA0002664360500000021
对应的信道能量效率
Figure FDA0002664360500000022
若信道为空闲状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure FDA0002664360500000023
对应的信道能量效率
Figure FDA0002664360500000024
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为空闲，则对应的信道容量
Figure FDA0002664360500000025
对应的信道能量效率
Figure FDA0002664360500000026
若信道为占用状态，基站的频谱感知结果为占用，则对应的信道容量
Figure FDA0002664360500000027
对应的信道能量效率
Figure FDA0002664360500000028
其中，gss,n表示小基站在信道n上的增益，gms,n表示宏基站在信道n上的增益，Pm,n表示宏基站在信道n上的发射功率，
Figure FDA0002664360500000029
是检测到信道n是空闲时给信道n分配的功率，
Figure FDA00026643605000000210
是检测到信道n被占用时给信道n分配的功率，σ2表示噪声功率，PC表示电路消耗功率；
信道的平均能量效率表示为：
Figure FDA00026643605000000211
其中，ηn表示信道n的平均能量效率，
Figure FDA00026643605000000212
表示信道n被占用的概率，
Figure FDA00026643605000000213
表示信道n空闲的概率，
Figure FDA00026643605000000214
表示检测错误的概率，
Figure FDA00026643605000000215
表示错过检测的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure FDA00026643605000000216
表示频谱感知时间。
2.根据权利要求1所述的能效型功率控制方法，其特征在于，所述频谱感知门限表示为：
Figure FDA00026643605000000217
其中，εn表示频谱感知门限，γn表示基站监测到的信噪比，
Figure FDA00026643605000000218
表示频谱感知时间，f表示信道的载波频率，Q-1()表示Q函数的反函数，
Figure FDA00026643605000000219
表示目标检测概率，σ2表示噪声功率，n表示信道n，N表示信道的数目。
3.根据权利要求1所述的能效型功率控制方法，其特征在于，所述检测错误的概率表示为：
Figure FDA0002664360500000031
其中，
Figure FDA0002664360500000032
表示检测错误的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure FDA0002664360500000033
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
4.根据权利要求1所述的能效型功率控制方法，其特征在于，所述错过检测的概率表示为：
Figure FDA0002664360500000034
其中，
Figure FDA0002664360500000035
表示错过检测的概率，εn表示频谱感知门限，
Figure FDA0002664360500000036
表示频谱感知时间，Q()表示Q函数，σ2表示噪声功率，γn表示基站监测到的信噪比，f表示信道的载波频率，n表示信道n。
5.根据权利要求1所述的能效型功率控制方法，其特征在于，目标函数表示为：
Figure FDA0002664360500000037
其中，N表示信道的数目，
Figure FDA0002664360500000038
表示频谱感知时间，
Figure FDA0002664360500000039
表示信道n的平均能量效率，T表示每一帧中频谱感知时间的最大值。
6.根据权利要求1所述的能效型功率控制方法，其特征在于，所述求出两个子问题的近似最优解包括：
利用拉格朗日函数和预先设置的限制条件，采用次梯度搜索算法求出两个子问题的近似最优解
Figure FDA00026643605000000310
其中，所述限制条件包括：频谱感知时间不能超过每一帧信号的发送时间，信道上分配的功率大于零且功率之和不得超过系统的最大总功率。
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