CN108768708B - 一种基于线性搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法 - Google Patents

Abstract

一种基于线性搜索式的非正交接入上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，最小化移动用户的上行传输时间和所有移动用户总能量消耗。其中，优化问题描述为一个非凸性优化问题；(2)将ORRCM问题等价转换为ORRCM‑E问题，将ORRCM‑E问题等价转换为D1问题；(3)求解D1问题的算法ORRCM‑Algorithm，为了判断在给定θ值条件下D1问题是否可行，提出D2问题；基于线性搜索方法，在移动用户的上传量

给定的情况下优化整体无线资源消耗。本发明最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗。

Description

一种基于线性搜索式的非正交接入上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上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。

发明内容

为了克服现有技术的上行传输时间较长、所有移动用户总能量消耗较大的不足，本发明提供一种最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的基于线性搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法，本发明针对上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上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上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，移动用户使用非正交接入技术同时向基站发送数据，其中移动用户i需要发送的数据量用

表示；

在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题ORRCM(Overall Radio ResourceConsumption Minimization)问题，ORRCM指的是整体无线资源消耗最小化：

ORRCM:

0≤t≤T^max (1-3)

Variables:t

下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：

α:上行传输时间的权重因子；

β:上行传输总能量消耗的权重因子；

t:移动用户发送数据到基站的上行传输时间，单位是秒；

是关于t的函数，表示移动用户i为了在给定上行传输时间t内完成发送数据量

所需要的最小发射功率，单位是瓦特；

W:移动用户到基站的信道带宽，单位是赫兹；

n₀:信道背景噪声的频谱功率密度；

g_iB:移动用户i到基站的信道功率增益；

移动用户i需要发送到基站的数据量，单位是兆比特；

移动用户i最大上传能量消耗，单位是焦耳；

T^max:移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间，单位是秒；

通过引入一个辅助变量求解ORRCM优化问题；

(2)ORRCM问题表示如下：

ORRCM:

s.t.constraint(1-1)

constraint(1-2)

Variable:0≤t≤T^max

ORRCM问题是在给定移动用户上传量

的情况下找到最小的上行传输时间与所有用户总能量消耗，定义一个变量x，如下：

ORRCM问题等价为ORRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：

ORRCM-E:

Variable:x≥1/T^max

定义移动用户i的函数H_i(x)的表达式如下：

为了有效解决ORRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，ORRCM-E问题转化为D1问题如下：

D1:minθ

Variable:θ

求解D1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D1问题可行，D1问题可行是指：在给定θ值条件下，D1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，D1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D1问题是否可行，考虑如下D2问题：

D2：

Variable:x

如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的；否则，D1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x^zero，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_i(0)＝0，Q_i(x)在区间

先增后减，所以

存在解

满足

(3)求解D1问题的算法ORRCM-Algorithm，在D1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D1问题可行；通过求解D2问题，判断在给定θ值条件下D1问题是否可行：其中，如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，D1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V_θ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D1问题可行的最小的θ值，它代表了ORRCM问题的整体资源消耗(即上行传输时间与所有用户总能量消耗)的最小值，求解D1问题算法的ORRCM-Algorithm的步骤如下：

步骤3.1：输入计算步长∈_ORRCM＝10^-4，设定参数θ^uppbound＝10⁴；

步骤3.2：利用对分搜索求解

的零点x^zero；

步骤3.3：根据对函数Q_i(x)和

的分析分别利用对分搜索，可以解出

步骤3.4：设定

步骤3.5：如果x^zero<x^min，设定x^*,temp＝x^min，转至执行步骤3.8；

步骤3.6：否则如果x^zero≤x^max，设定x^*,temp＝x^zero，转至执行步骤3.8；

步骤3.7：否则x^zero>x^max，设定x^*,temp＝x^max，转至执行步骤3.8；

步骤3.8：设定

步骤3.9：如果V_θ≤0,设定参数重新赋值θ^uppbound＝θ^uppbound-∈_ORRCM，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^*＝θ^uppbound以及x^*；

最后，算法ORRCM-Algorithm输出的θ^*代表ORRCM问题所求的最小整体无线资源消耗(包括上行传输时间与所有移动用户总能量消耗)，ORRCM问题中待求的最优上行传输时间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，移动用户通过非正交接入技术传输数据实现最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗来获得一定的经济效益和服务质量。在此处，考虑的前提是移动用户的上传能量消耗和上行传输时间的限制。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，从而在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，实现最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗。

本发明的有益效果主要表现在:1、对于上行整体而言，利用非正交接入技术大大提高了系统传输效率；2、对于上行整体而言，利用非正交接入技术大大节省带宽资源；3、对于移动用户而言，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是无线网络中多个移动用户和基站的上行场景示意图。

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上行传输时间优化方法，实行该方法能在同时满足保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，使得上行传输时间与所有移动用户总能量消耗最小化，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，移动用户使用非正交接入技术同时向基站发送数据，其中移动用户i需要发送的数据量用

表示；

在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题ORRCM(Overall Radio ResourceConsumption Minimization)问题，ORRCM指的是整体无线资源消耗最小化：

ORRCM:

0≤t≤T^max (1-3)

Variables:t

下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：

α:上行传输时间的权重因子；

β:上行传输总能量消耗的权重因子；

t:移动用户发送数据到基站的上行传输时间，单位是秒；

是关于t的函数，表示移动用户i为了在给定上行传输时间t内完成发送数据量

所需要的最小发射功率，单位是瓦特；

W:移动用户到基站的信道带宽，单位是赫兹；

n₀:信道背景噪声的频谱功率密度；

g_iB:移动用户i到基站的信道功率增益；

移动用户i需要发送到基站的数据量，单位是兆比特；

移动用户i最大上传能量消耗，单位是焦耳；

T^max:移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间，单位是秒；

通过引入一个辅助变量求解ORRCM优化问题，具体步骤如下。

(2)ORRCM问题表示如下：

ORRCM:

s.t.constraint(1-1)

constraint(1-2)

Variable:0≤t≤T^max

ORRCM问题是在给定移动用户上传量

的情况下找到最小的上行传输时间与所有用户总能量消耗，为了更方便的解决ORRCM问题，定义一个变量x，如下：

ORRCM问题等价为ORRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：

ORRCM-E:

Variable:x≥1/T^max

为了更方便的表达，定义移动用户i的函数H_i(x)的表达式如下：

为了有效解决ORRCM-E问题，引入一个新变量θ。通过使用变量θ，ORRCM-E问题转化为D1问题如下：

D1:minθ

Variable:θ

求解D1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D1问题可行(在这里，D1问题可行的意思是：在给定θ值条件下，D1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，D1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D1问题是否可行，考虑如下D2问题：

D2：

Variable:x

如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的；否则，D1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x^zero(在接下来的算法中会用到)，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

iii)如果

由于

是单调递减的且

那么存在

满足

进一步由于Q_i(0)＝0，Q_i(x)在区间

先增后减，所以

存在解

满足

(3)求解D1问题的算法ORRCM-Algorithm，在D1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D1问题可行；通过求解D2问题，判断在给定θ值条件下D1问题是否可行：其中，如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，D1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V_θ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D1问题可行的最小的θ值，它代表了ORRCM问题的整体资源消耗(即上行传输时间与所有用户总能量消耗)的最小值。求解D1问题算法的ORRCM-Algorithm的步骤如下：

步骤3.1：输入计算步长∈_ORRCM＝10^-4，设定参数θ^uppbound＝10⁴；

步骤3.2：利用对分搜索求解

的零点x^zero；

步骤3.3：根据对函数Q_i(x)和

的分析分别利用对分搜索，可以解出

步骤3.4：设定

步骤3.5：如果x^zero<x^min，设定x^*,temp＝x^min，转至执行步骤3.8；

步骤3.6：否则如果x^zero≤x^max，设定x^*,temp＝x^zero，转至执行步骤3.8；

步骤3.7：否则x^zero>x^max，设定x^*,temp＝x^max，转至执行步骤3.8；

步骤3.8：设定

步骤3.9：如果V_θ≤0,设定参数重新赋值θ^uppbound＝θ^uppbound-∈_ORRCM，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^*＝θ^uppbound以及x^*；

最后，算法ORRCM-Algorithm输出的θ^*代表ORRCM问题所求的最小整体无线资源消耗(包括上行传输时间与所有移动用户总能量消耗)。ORRCM问题中待求的最优上行传输时间t^*可以表示为

Claims (1)

1.一种基于线性搜索式的非正交接入上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，移动用户使用非正交接入技术同时向基站发送数据，其中移动用户i需要发送的数据量用

表示；

在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题ORRCM问题，ORRCM指的是整体无线资源消耗最小化：

ORRCM:

0≤t≤T^max (1-3)

变量:t

下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：

α:上行传输时间的权重因子；

β:上行传输总能量消耗的权重因子；

t:移动用户发送数据到基站的上行传输时间，单位是秒；

是关于t的函数，表示移动用户i为了在给定上行传输时间t内完成发送数据量

所需要的最小发射功率，单位是瓦特；

W:移动用户到基站的信道带宽，单位是赫兹；

n₀:信道背景噪声的频谱功率密度；

g_iB:移动用户i到基站的信道功率增益；

移动用户i需要发送到基站的数据量，单位是兆比特；

移动用户i最大上传能量消耗，单位是焦耳；

T^max:移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间，单位是秒；

通过引入一个辅助变量求解ORRCM优化问题；

(2)ORRCM问题表示如下：

ORRCM:

s.t.表达式(1-1)

表达式(1-2)

变量:0≤t≤T^max

ORRCM问题是在给定移动用户上传量

的情况下找到最小的上行传输时间与所有用户总能量消耗，定义一个变量x，如下：

ORRCM问题等价为ORRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：

ORRCM-E:

Variable:x≥1/T^max

定义移动用户i的函数H_i(x)的表达式如下：

为了有效解决ORRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，ORRCM-E问题转化为D1问题如下：

D1:min θ

变量:θ

求解D1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D1问题可行，D1问题可行是指：在给定θ值条件下，D1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，D1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D1问题是否可行，考虑如下D2问题：

D2:

变量:x

如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的；否则，D1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x^zero，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_i(0)＝0，Q_i(x)在区间

先增后减，所以

存在解

满足

(3)求解D1问题的算法ORRCM-Algorithm，在D1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D1问题可行；通过求解D2问题，判断在给定θ值条件下D1问题是否可行：其中，如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的，那通过线性搜索方式减小当前θ值；否则，D1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V_θ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D1问题可行的最小的θ值，它代表了ORRCM问题的整体资源消耗的最小值，求解D1问题算法的ORRCM-Algorithm的步骤如下：

步骤3.1：输入计算步长∈_ORRCM＝10^-4，设定参数θ^uppbound＝10⁴；

步骤3.2：利用对分搜索求解

的零点x^zero；

步骤3.3：根据对函数Q_i(x)和

的分析分别利用对分搜索，可以解出

步骤3.4：设定

步骤3.5：如果x^zero<x^min，设定x^*,temp＝x^min，转至执行步骤3.8；

步骤3.6：否则如果x^zero≤x^max，设定x^*,temp＝x^zero，转至执行步骤3.8；

步骤3.7：否则x^zero>x^max，设定x^*,temp＝x^max，转至执行步骤3.8；

步骤3.8：设定

步骤3.9：如果V_θ≤0,设定参数重新赋值θ^uppbound＝θ^uppbound-∈_ORRCM，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^*＝θ^uppbound以及x^*；

最后，算法ORRCM-Algorithm输出的θ^*代表ORRCM问题所求的最小整体无线资源消耗，ORRCM问题中待求的最优上行传输时间t^*表示为

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