CN108632964A - 一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法 - Google Patents

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Abstract

一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，包括以下步骤：(1)在基站的覆盖范围下总共有I个移动用户，提出了一种满足移动用户的服务质量同时，在移动用户的下载量给定的情况下最小化基站的下行传输时间和基站总能量消耗；其中，优化问题描述为一个非凸性优化问题；(2)将DDRCM问题等价转换为DDRCM‑E问题，将DDRCM‑E问题等价转换为P1问题；(3)为了判断在给定θ值条件下P1问题是否可行，提出P2问题；基于线性搜索方法，在移动用户的下载量给定的情况下优化下行资源消耗。本发明最小化下行传输时间和基站总能量消耗。

Description

一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法
技术领域
本发明属于通信领域，一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法。
背景技术
移动互联网业务的快速发展，对蜂窝无线接入网造成了巨大的流量压力。由于有限的无线资源，利用非正交多址接入技术使移动用户同时共用同一信道为无线接入提供一种有效的方法，实现在未来的5G网中超高吞吐量和大规模连接的目标。我们旨在，在基站发送对应移动用户的数据的传输过程中。我们提出了一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法。
发明内容
为了克服现有技术的下行传输时间较长、基站总能量消耗较大的不足，本发明提供一种最小化下行传输时间与基站总能量消耗的基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，本发明针对下行传输时间过大的难点，主要考虑的是利用非正交接入技术来传输数据，研究了一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，包括以下步骤：
(1)在基站的覆盖范围下总共有I个移动用户，移动用户用集合表示，基站使用非正交接入技术同时向移动用户发送数据，其中移动用户i需要接收的数据量用表示；
在保证基站发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化下行传输时延和基站总能耗的优化问题描述为如下所示的优化问题DDRCM(Downloading-Duration ResourceConsumption Minimization)问题，DDRCM指的是下行资源消耗最小化：
0≤t≤Tmax (1-3)
Variables:t
下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：
α:下行传输时间的权重因子；
β:下行传输总能量消耗的权重因子；
t:基站发送数据到移动用户的下行传输时间，单位是秒；
是关于t的函数，表示基站为了在给定下行传输时间t内完成发送全部移动用户数据量所需要的最小总发射功率，单位是瓦特；
W:基站到移动用户的信道带宽，单位是赫兹；
n0:信道背景噪声的频谱功率密度；
gBi:基站到移动用户i的信道功率增益；
基站需要发送到移动用户i的数据量，单位是兆比特；
基站最大下载能量消耗，单位是焦耳；
Tmax:基站发送数据到移动用户的最大下行传输时间，单位是秒；
(2)DDRCM问题表示如下：
s.t.constraint(1-1)
constraint(1-2)
Variable:0≤t≤Tmax
DDRCM问题是在给定移动用户下载量的情况下找到最小的下行传输时间与基站总能量消耗，定义一个变量x，如下：
DDRCM问题等价为DDRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：
Variable:x≥1/Tmax
定义基站的函数H(x)的表达式如下：
为了有效解决DDRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，DDRCM-E问题转化为P1问题如下：
P1:minθ
Variable:θ
求解P1问题的思路是：设定θ的上限是一个足够大的数，设定计算步长是一个很小的数，通过对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行，P1问题可行是指：在给定θ值条件下，P1问题中约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合；否则，P1问题为不可行，即在给定θ值条件下约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集；
为了判断在给定θ值条件下P1问题是否可行，考虑如下P2问题：
Variable:x
如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的；否则，P1问题将是不可行的；
接着，定义函数G(x)如下：
因此，得到函数G(x)的一阶导数如下：
从表达式(2-10)中观察得出是关于变量x的单调递增函数，所以通过求解的零点来求解G(x)的最小值。
首先，根据的单调递增性，利用对分搜索求解的零点记为xzero，使得满足
接着，根据条件(2-3)和(2-7)，得到关于变量x的表达式如下：
对(2-11)关于x求一阶导数，得到：
在这里，引入一个变量接着，分析整理表达式(2-11)和(2-12)在不同的条件下，有以下三种情况：
i)如果且那么不存在满足条件的可行解；
ii)如果且那么存在解满足
iii)如果由于是单调递减的且那么存在满足进一步由于Q(0)＝0，Q(x)在区间先增后减，所以Q(xΔ)≥0，存在解xlargest∈[xΔ,∞)满足Q(xlargest)＝0；
(3)求解P1问题的算法DDRCM-Algorithm，该算法的思路是；在P1问题中，设定θ的上限是一个足够大的数，设定计算步长是一个很小的数，对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行。通过求解P2问题，判断在给定θ值条件下P1问题是否可行：其中，如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，P1问题将是不可行的，那就跳出线性搜索；通过线性搜索不断更新当前θ值，直到Vθ足够接近于0，跳出线性搜索，算法最后输出的最优θ值，即确保P1问题可行的最小的θ值，它代表了DDRCM问题的下行资源消耗(即下行传输时间与基站总能量消耗)的最小值。
进一步，所述步骤(3)中，求解P1问题算法的DDRCM-Algorithm的步骤如下：
步骤3.1：输入计算步长∈DDRCM＝10-4，设定参数θuppbound＝104；
步骤3.2：设定
步骤3.3：根据对函数Q(x)和的分析分别利用对分搜索，解出xmax＝xlargest；
步骤3.4：利用对分搜索求解的零点xzero；
步骤3.5：如果xzero<xmin，设定x*,temp＝xmin，转至执行步骤3.8；
步骤3.6：否则如果xzero≤xmax，设定x*,temp＝xzero，转至执行步骤3.8；
步骤3.7：否则xzero>xmax，设定x*,temp＝xmax，转至执行步骤3.8；
步骤3.8：设定
步骤3.9：如果Vθ≤0,设定θuppbound＝θuppbound-∈DDRCM，同时设定x*＝x*,temp，转至并执行步骤3.2；否则，设定x*＝x*,temp，转至执行步骤3.10；
步骤3.10：输出θ*＝θcur以及x*；
最后，算法DDRCM-Algorithm输出的θ*代表DDRCM问题所求的最小下行资源消耗(包括下行传输时间与基站总能量消耗)，DDRCM问题中待求的最优下行传输时间t*表示为
本发明的技术构思为：首先，考虑在蜂窝无线网络中，基站通过非正交接入技术传输数据实现最小化下行传输时间与基站总能量消耗来获得一定的经济效益和服务质量。在此处，考虑的前提是基站的下载能量消耗和下行传输时间的限制。接着，通过对问题的特性分析，将非凸问题等价转换成凸问题来求解。提出基于线性搜索的方法，从而在保证基站发送完成所有移动用户数据量的条件下，实现最小化下行传输时间与基站总能量消耗。
本发明的有益效果主要表现在:1、对于下行整体而言，利用非正交接入技术大大提高了系统传输效率；2、对于下行整体而言，利用非正交接入技术大大节省带宽资源；3、对于基站而言，通过非正交接入技术获得更优质的无线网络体验质量。
附图说明
图1是无线网络中基站和多个移动用户的下行场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对于本发明作进一步详细描述。
参照图1，一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，实行该方法能在同时满足保证基站发送完成所有移动用户数据量的条件下，使得下行传输时间与基站总能量消耗最小化，提高整个系统的无线网络体验质量。本发明可以应用于无线网络，如图1所示场景中。针对该目标设计对问题的优化方法主要包括如下步骤：
(1)在基站的覆盖范围下总共有I个移动用户，移动用户用集合表示，基站使用非正交接入技术同时向移动用户发送数据，其中移动用户i需要接收的数据量用表示；
在保证基站发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化下行传输时延和基站总能耗的优化问题描述为如下所示的优化问题DDRCM(Downloading-Duration ResourceConsumption Minimization)问题，DDRCM指的是下行资源消耗最小化：
0≤t≤Tmax (1-3)
Variables:t
下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：
α:下行传输时间的权重因子；
β:下行传输总能量消耗的权重因子；
t:基站发送数据到移动用户的下行传输时间，单位是秒；
是关于t的函数，表示基站为了在给定下行传输时间t内完成发送全部移动用户数据量所需要的最小总发射功率，单位是瓦特；
W:基站到移动用户的信道带宽，单位是赫兹；
n0:信道背景噪声的频谱功率密度；
gBi:基站到移动用户i的信道功率增益；
基站需要发送到移动用户i的数据量，单位是兆比特；
基站最大下载能量消耗，单位是焦耳；
Tmax:基站发送数据到移动用户的最大下行传输时间，单位是秒；
(2)DDRCM问题表示如下：
s.t.constraint(1-1)
constraint(1-2)
Variable:0≤t≤Tmax
DDRCM问题是在给定移动用户下载量的情况下找到最小的下行传输时间与基站总能量消耗，为了更方便地解决DDRCM问题，定义一个变量x，如下：
DDRCM问题等价为DDRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：
Variable:x≥1/Tmax
为了更方便的表达，定义基站的函数H(x)的表达式如下：
为了有效解决DDRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，DDRCM-E问题转化为P1问题如下：
P1:minθ
Variable:θ
求解P1问题的思路是：设定θ的上限是一个足够大的数(例如，θ的上限是104)，设定计算步长是一个很小的数(例如，计算步长是10-4)，通过对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行，在这里，P1问题可行的意思是：在给定θ值条件下，P1问题中约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合；否则，P1问题为不可行，即在给定θ值条件下约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集；
为了判断在给定θ值条件下P1问题是否可行，考虑如下P2问题：
Variable:x
如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的；否则，P1问题将是不可行的。
接着，定义函数G(x)如下：
因此，得到函数G(x)的一阶导数如下：
从表达式(2-10)中观察得出是关于变量x的单调递增函数，所以我们通过求解的零点来求解G(x)的最小值。
首先，根据的单调递增性，我们利用对分搜索求解的零点记为xzero(在接下的算法中会用到)，使得满足
接着，根据条件(2-3)和(2-7)，得到关于变量x的表达式如下：
对(2-11)关于x求一阶导数，得到：
在这里，引入一个变量接着，分析整理表达式(2-11)和(2-12)在不同的条件下，有以下三种情况：
i)如果且那么不存在满足条件的可行解；
ii)如果且那么存在解满足Qi(xlargest)＝0；
iii)如果由于是单调递减的且那么存在满足进一步由于Q(0)＝0，Q(x)在区间先增后减，所以Q(xΔ)≥0，存在解xlargest∈[xΔ,∞)满足Q(xlargest)＝0；
(3)求解P1问题的算法DDRCM-Algorithm，该算法的思路是；在P1问题中，设定θ的上限是一个足够大的数(例如，θ的上限是104)，设定计算步长是一个很小的数(例如，计算步长是10-4)，对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行。通过求解P2问题，判断在给定θ值条件下P1问题是否可行：其中，如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，P1问题将是不可行的，那就跳出线性搜索；通过线性搜索不断更新当前θ值，直到Vθ足够接近于0，跳出线性搜索，算法最后输出的最优θ值，即确保P1问题可行的最小的θ值，它代表了DDRCM问题的下行资源消耗(即下行传输时间与基站总能量消耗)的最小值。
求解P1问题算法的DDRCM-Algorithm的步骤如下：
步骤3.1：输入计算步长∈DDRCM＝10-4，设定参数θuppbound＝104；
步骤3.2：设定
步骤3.3：根据对函数Q(x)和的分析分别利用对分搜索，解出xmax＝xlargest；
步骤3.4：利用对分搜索求解的零点xzero；
步骤3.5：如果xzero<xmin，设定x*,temp＝xmin，转至执行步骤3.8；
步骤3.6：否则如果xzero≤xmax，设定x*,temp＝xzero，转至执行步骤3.8；
步骤3.7：否则xzero>xmax，设定x*,temp＝xmax，转至执行步骤3.8；
步骤3.8：设定
步骤3.9：如果Vθ≤0,设定θuppbound＝θuppbound-∈DDRCM，同时设定x*＝x*,temp，转至并执行步骤3.2；否则，设定x*＝x*,temp，转至执行步骤3.10；
步骤3.10：输出θ*＝θcur以及x*；
最后，算法DDRCM-Algorithm输出的θ*代表DDRCM问题所求的最小下行资源消耗(包括下行传输时间与基站总能量消耗)，DDRCM问题中待求的最优下行传输时间t*表示为

Claims (2)

1.一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)在基站的覆盖范围下总共有I个移动用户，移动用户用集合表示，基站使用非正交接入技术同时向移动用户发送数据，其中移动用户i需要接收的数据量用表示；
在保证基站发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化下行传输时延和基站总能耗的优化问题描述为如下所示的优化问题DDRCM问题，DDRCM指的是下行资源消耗最小化：
0≤t≤Tmax (1-3)
Variables:t
下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：
α:下行传输时间的权重因子；
β:下行传输总能量消耗的权重因子；
t:基站发送数据到移动用户的下行传输时间，单位是秒；
是关于t的函数，表示基站为了在给定下行传输时间t内完成发送全部移动用户数据量所需要的最小总发射功率，单位是瓦特；
W:基站到移动用户的信道带宽，单位是赫兹；
n0:信道背景噪声的频谱功率密度；
gBi:基站到移动用户i的信道功率增益；
基站需要发送到移动用户i的数据量，单位是兆比特；
基站最大下载能量消耗，单位是焦耳；
Tmax:基站发送数据到移动用户的最大下行传输时间，单位是秒；
(2)DDRCM问题表示如下：
s.t.constraint(1-1)
constraint(1-2)
Variable:0≤t≤Tmax
DDRCM问题是在给定移动用户下载量的情况下找到最小的下行传输时间与基站总能量消耗，定义一个变量x，如下：
DDRCM问题等价为DDRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：
Variable:x≥1/Tmax
定义基站的函数H(x)的表达式如下：
为了有效解决DDRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，DDRCM-E问题转化为P1问题如下：
P1:minθ
Variable:θ
求解P1问题的思路是：设定θ的上限是一个足够大的数，设定计算步长是一个很小的数，通过对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行，P1问题可行是指：在给定θ值条件下，P1问题中约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合；否则，P1问题为不可行，即在给定θ值条件下约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集；
为了判断在给定θ值条件下P1问题是否可行，考虑如下P2问题：
Variable:x
如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的；否则，P1问题将是不可行的；
接着，定义函数G(x)如下：
因此，得到函数G(x)的一阶导数如下：
从表达式(2-10)中观察得出是关于变量x的单调递增函数，所以通过求解的零点来求解G(x)的最小值；
首先，根据的单调递增性，利用对分搜索求解的零点记为xzero，使得满足
接着，根据条件(2-3)和(2-7)，得到关于变量x的表达式如下：
对(2-11)关于x求一阶导数，得到：
在这里，引入一个变量接着，分析整理表达式(2-11)和(2-12)在不同的条件下，有以下三种情况：
i)如果且那么不存在满足条件的可行解；
ii)如果且那么存在解满足Qi(xlargest)＝0；
iii)如果由于是单调递减的且那么存在满足进一步由于Q(0)＝0，Q(x)在区间先增后减，所以Q(xΔ)≥0，存在解xlargest∈[xΔ,∞)满足Q(xlargest)＝0；
(3)求解P1问题的算法DDRCM-Algorithm，该算法的思路是；在P1问题中，设定θ的上限是一个足够大的数，设定计算步长是一个很小的数，对θ进行线性搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保P1问题可行，通过求解P2问题，判断在给定θ值条件下P1问题是否可行：其中，如果P2问题的最优值输出Vθ≤0，则表示P1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，P1问题将是不可行的，那就跳出线性搜索；通过线性搜索不断更新当前θ值，直到Vθ足够接近于0，跳出线性搜索，算法最后输出的最优θ值，即确保P1问题可行的最小的θ值，它代表了DDRCM问题的下行资源消耗的最小值。
2.如权利要求1所述的一种基于线性搜索式的非正交接入下行传输时间优化方法，其特征在于，所述步骤(3)中，求解P1问题算法的DDRCM-Algorithm的步骤如下：
步骤3.1：输入计算步长∈DDRCM＝10-4，设定参数θuppbound＝104；
步骤3.2：设定
步骤3.3：根据对函数Q(x)和的分析分别利用对分搜索，解出xmax＝xlargest；
步骤3.4：利用对分搜索求解的零点xzero；
步骤3.5：如果xzero<xmin，设定x*,temp＝xmin，转至执行步骤3.8；
步骤3.6：否则如果xzero≤xmax，设定x*,temp＝xzero，转至执行步骤3.8；
步骤3.7：否则xzero>xmax，设定x*,temp＝xmax，转至执行步骤3.8；
步骤3.8：设定
步骤3.9：如果Vθ≤0,设定θuppbound＝θuppbound-∈DDRCM，同时设定x*＝x*,temp，转至并执行步骤3.2；否则，设定x*＝x*,temp，转至执行步骤3.10；
步骤3.10：输出θ*＝θcur以及x*；
最后，算法DDRCM-Algorithm输出的θ*代表DDRCM问题所求的最小下行资源消耗，DDRCM问题中待求的最优下行传输时间t*表示为
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