CN109089245A - 计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法及装置 - Google Patents

计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法及装置 Download PDF

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CN109089245A CN201810889202.4A CN201810889202A CN109089245A CN 109089245 A CN109089245 A CN 109089245A CN 201810889202 A CN201810889202 A CN 201810889202A CN 109089245 A CN109089245 A CN 109089245A
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Abstract

本发明公开了一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法及装置,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标,并且保证所有蜂窝用户到基站通信链路数据速率不低于一个预设值,获得蜂窝用户和D2D用户的发射功率最优解,最大化地提高了系统总体性能。

Description

计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法及 装置
技术领域
本发明属于无线资源调度与同频干扰抑制设计领域,具体涉及一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法和装置。
背景技术
设备间通信(Device-to-Device,D2D)作为对现有移动通信网络的补充型通信技术之一吸引了广泛关注。该技术的基本原理在于允许两个距离较近且有交换本地数据需求的蜂窝用户(Cellualr User,CU)建立直接的通信链路,而不是由基站(BS)中继来相互通信。此技术最大优点在于它可以减小传输延迟、节省功率消耗、减少基站及核心网的网络负担、提高本地频带利用率等等。在D2D通信中,每个D2D用户(D2D User,DU)对由DU发送端(DUTX)与DU接收端(DURX)组成,DU发送端通过D2D链路与DU接收端传输数据,D2D链路使用了CU的物理资源,即DU与CU共享相同资源。
D2D可以复用CU上行/下行频段,因为CU上行频段的利用率低于下行频段,所以通常使用CU的上行频段进行D2D通信,在CU上行频段进行通信的干扰主要有,DU发送端对基站的干扰,CU对D2D接收端的干扰。因此,为了保证高效地利用D2D通信,通常需要采用具备有效干扰管理的适当资源共享方案。由于DU终端之间通常间距较短,所以DU发送端只需要很小的功率就可以获得较高的通信速率,因此即使DU终端与CU共享相同的频段资源,DU对CU造成的同频干扰也可以被限制在一定范围内。但是CU对于DU接收端的干扰有时确实难以忽略的。因此在为DU指定上行频段供其复用时,需要设计一定的资源共享策略来抑制上述同频干扰。
因此急需设计资源共享策略,此资源共享策略由基站来统筹控制,以达到上行频段通信资源共享并将整个通信系统内的干扰抑制到最低。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足,提供了一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,在保证蜂窝用户到基站的通信速率不低于一个预设值时,最大化所有D2D用户在所有蜂窝频带上的信道容量和。
第一方面,本发明提供了一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,在D2D通信中有N个蜂窝用户与基站建立直接的通信链路,即有N个蜂窝频带,还有M对D2D用户,设备间通信资源共享方法包括以下步骤:
步骤S1,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量;
步骤S2,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低QoS通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制;
步骤S3,求解优化目标函数获得优化结果;
步骤S4,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
优选的,步骤S1中,采用i=1,2,……N,j=1,2,……M分别作为蜂窝用户和D2D用户的索引,记:
表示蜂窝用户i到基站的信道系数,蜂窝用户i占用的频带标记为i;
表示蜂窝用户i对第j对D2D用户接收机的干扰信道系数;
表示第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道系数;
表示第j对D2D用户对蜂窝用户i的干扰信道系数;
表示第k对D2D用户发射机在频带i上对第j对D2D用户接收机的干扰信道;
记蜂窝用户i和第j对D2D用户在频带i上发射功率分别为pi和qi,j;得到蜂窝用户i在蜂窝频带i上的信道容量为:
其中为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,为基站接收机的噪声功率,为归一化的信道增益;
第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道容量为:
其中为第j对D2D用户接收机处的随机噪声功率, 分别为归一化的信道增益。
优选的,步骤S2中,优化目标函数(3)数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,ρi为蜂窝用户i在蜂窝频带i上的最低通信质量要求,
即(3a)表示目标为最大化所有DU频谱利用率之和,(3b)表示蜂窝用户最低通信要求,(3c)表示蜂窝用户最大发射功率限制,(3d)表示D2D用户在某一蜂窝频带上的最大发射功率限制。
优选的,步骤S3中,将优化目标函数(3)划分为N个子问题并行计算,每个子问题可以转化为以下等价优化问题(6),即对所有i:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (6c)
其中,
优选的,步骤S3中,将求解问题(6)的最优解转换为寻找问题(6)的目标函数下界,并通过迭代优化目标函数下界从而求得问题(6)的局部最优解。
优选的,步骤S3中,求解的过程为:
为简便记,令并且令
问题(6)的目标函数(6a)的下界可以表达为:
为Rij通过近似公式(9)获得的下界,以替换Rij,问题(6)可以转化为:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M。 (10c)
上述问题(10)可以转换为以下凸优化问题(11),
优选的,采用标准凸优化算法去求解凸优化问题。
优选的,利用标准凸优化算法求解问题(6)步骤归纳如下:
1)初始化
2)初始化迭代次数t=1;
3)重复以下过程a)-c):
a)利用标准凸优化算法解决问题(11),得到
b)逼近:利用式(8)所示关系更新参数
其中对应的
c)t=t+1;
4)直到收敛。
第二方面,本发明还提供了一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享装置,其特征是,装置包括:
信道容量计算模块,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量;
优化目标建立模块,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低QoS通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制;
优化目标计算模块,求解优化目标函数获得优化结果。
通信速率计算模块,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
优选的,在优化目标建立模块中,
可将该优化目标函数(3)数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,ρi为蜂窝用户i在蜂窝频带i上的最低通信质量要求,
即优化目标函数(3)中(3a)表示目标为最大化所有DU频谱利用率之和,(3b)表示蜂窝用户最低通信要求,(3c)表示蜂窝用户最大发射功率限制,(3d)表示D2D用户在某一蜂窝频带上的最大发射功率限制。
优选的,在优化目标计算模块中,
与现有技术相比,本发明所达到的有益效果是:
1)本发明方法是针对多个CU与多对DU之间资源共享策略设计方法,适用范围较为广泛;
2)本发明方法同时保证了原有CU的通信质量,同时最大化了D2D用户的在所有频带上的信道容量和,最大化地提高了系统总体性能。
附图说明
图1是单信道蜂窝模型中D2D通信系统的系统框图;
图2是本发明方法与现有随机分配方法的通信性能随通信速率预设值的变化曲线。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案,而不能以此来限制本发明的保护范围。
如图1所示,对于单信道蜂窝模型来说,在D2D通信中,有一个服务于所有用户的基站(BS),有N个蜂窝用户(Cellualr User,CU)与基站(BS)建立直接的通信链路,有N个蜂窝频带,另外还有M对D2D用户。每个D2D用户(D2D User,DU)对由D2D用户发射机与D2D用户接收机组成,D2D用户发射机通过D2D链路与D2D用户接收机传输数据,D2D链路使用了CU的上行频段,即DU与CU共享相同资源。图中标注的实线为非干扰信道,虚线为干扰信道,也就是说,在通信中,除了蜂窝用户和D2D用户间的相互干扰,由于同一蜂窝信道同时可被所有D2D用户共用,因而存在D2D用户间的相互干扰。
下面对图1中参数做详细说明:其中采用i=1,2,……N,j=1,2,……M分别作为蜂窝用户和D2D用户的索引。
表示蜂窝用户i到基站的信道系数,蜂窝用户i占用的频带标记为i;
表示蜂窝用户i对第j对D2D用户接收机的干扰信道系数;
表示第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道系数;
表示第j对D2D用户对蜂窝用户i的干扰信道系数;
表示第k对D2D用户发射机在频带i上对第j对D2D用户接收机的干扰信道。
实施例1
本实施例为一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,包括以下步骤:
步骤S1,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量。
记蜂窝用户i和第j对D2D用户在频带i上发射功率分别为pi和qi,j;得到蜂窝用户i在蜂窝频带i上每赫兹的信道容量为:
其中为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,为基站接收机的噪声功率,为归一化的信道增益;
第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道容量为:
其中为第j对D2D用户接收机处的随机噪声功率, 分别为归一化的信道增益。
步骤S2,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低QoS通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制。
以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标,由于蜂窝用户享有更高的优先级,因此得先保证其最低QoS通信要求,此外,共享上行链路时,蜂窝用户有最大发射功率限制,且某一D2D用户对在某一蜂窝频带上也有独立的最大发射功率限制。综上,可将该优化问题(3)数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,Pi,Qij在优化问题(3)中属于常量,由蜂窝用户、D2D用户终端性能参数决定。ρi为蜂窝用户i在频带i上的最低QoS,ρi在优化问题(3)中也属于常量,有网络运营商根据蜂窝用户服务协议内容确定。
步骤S3,将优化目标函数划分为若干个子问题并行计算,获得优化结果。
由于优化问题(3)目标函数(3a)及所有约束条件(3b),(3c),(3d)在频带i上都是独立的,因此可以将优化问题(3)划分为N个子问题并行计算,缩短整体计算时间。
通过改写约束条件(3b)如下:
观察目标函数(3a)可知,给定qij,(3a)关于pi单调递增的,因此pi最优解可以表示为:
将式(5)代入(3a)、(3c),并消去约束条件(3b),那么,每个子问题可以转化为以下等价优化问题(6),即对所有i:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M(6c)
其中,为简便记,定义
为简便记,令并且令
问题(6)是NP-hard的,因此直接求解问题(6)的最优解是几乎不可能的,通过寻找问题(6)的目标函数下界,并通过迭代优化目标函数下界从而求得问题(6)的局部最优解。问题(6)的目标函数(6a)的下界可以表达为:
为Rij通过近似公式(9)获得的下界。以替换Rij,问题(6)可以转化为:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (10c)
上述问题(10)可以转换为以下凸优化问题(11),即可采用标准凸优化算法去求解:
标准凸优化算法属于现有技术,利用标准凸优化算法求解问题(6)步骤归纳如下:
1)初始化
2)初始化迭代次数t=1;
3)重复以下过程a)-c):
a)利用标准凸优化算法解决问题(11),得到
b)逼近:利用式(8)所示关系更新参数
其中对应的
c)t=t+1,即迭代次数加1;
4)直到收敛。
步骤S4,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
通过以上步骤求解获得问题(6)的次优解代入式(5)获得通过对所有子问题的并行计算,可以最终获得原优化问题(3)的次优解其中是蜂窝用户i和第j对D2D用户在频带i上发射功率的最优解。
为了检查本发明算法的效果,对本发明算法与随机分配算法的性能效果进行了仿真。图2给出了所有D2D用户速率之和曲线随着蜂窝用户数量的变化曲线,图2的纵坐标为D2D用户速率之和,单位为bit/s/Hz,横坐标为蜂窝用户数量,即N的取值;D2D用户数量M=20,设置每个蜂窝用户的最低数据速率为ρi=10bit/s/Hz,i=1,...,N,注意本发明算法的有效性并不依赖于ρi的具体取值;图2中“本发明算法”为基站采用本发明算法在实际通信中执行的性能效果,“随机分配算法”即基站采用随机分配频带算法在实际通信中执行的性能效果。观察图2可以发现:首先,随着蜂窝用户数量的增加,本发明算法的性能逐渐变优,这是因为可分配的频带数量随着蜂窝用户数量的增加而增加,从另一方面来说,采用本发明算法可以有效提高设备间通信资源利用率;其次,随着蜂窝用户数量的不断增加,本发明算法的性能逐渐变差,这主要是因为随着蜂窝用户的增多,系统对于D2D用户的干扰容忍能力从逐渐变强,到峰值点后又逐渐变弱,这就使得D2D用户共享蜂窝用户上行频带资源无法获得更多的性能增益;最后通过与随机分配算法的比较可以看出,本发明算法可以实现保证了原有蜂窝用户最低传输速率的同事,最大化地增加了D2D用户的速率之和。
实施例2
基于与实施例1同样的发明构思,本实施例为一种计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享装置,包括:
信道容量计算模块,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量;
优化目标建立模块,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低QoS通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制;
可将该优化问题(3)数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,Pi,Qij在优化问题(3)中属于常量,由蜂窝用户、D2D用户终端性能参数决定。ρi为蜂窝用户i在频带i上的最低QoS,ρi在优化问题(3)中也属于常量,有网络运营商根据蜂窝用户服务协议内容确定。
优化目标计算模块,将优化目标函数划分为若干个子问题并行计算,获得优化结果。
由于优化问题(3)目标函数(3a)及所有约束条件(3b),(3c),(3d)在频带i上都是独立的,因此可以将优化问题(3)划分为N个子问题并行计算,缩短整体计算时间。
通过改写约束条件(3b)如下:
观察目标函数(3a)可知,给定qij,(3a)关于pi单调递增的,因此pi最优解可以表示为:
将式(5)代入(3a)、(3c),并消去约束条件(3b),那么,每个子问题可以转化为以下等价优化问题(6),即对所有i:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (6c)
其中,为简便记,定义
通信速率计算模块,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
本领域内的技术人员应明白,本申请的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此,本申请可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且,本申请可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
本申请是参照根据本申请实施例的方法、设备(系统)、和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器,使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。
这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中,使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品,该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。
这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上,使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理,从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。
以上所述仅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,在不脱离本发明技术原理的前提下,还可以做出若干改进和变形,这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,在D2D通信中有N个蜂窝用户与基站建立直接的通信链路,有M对D2D用户,其特征是,设备间通信资源共享方法包括以下步骤:
步骤S1,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量;
步骤S2,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制,求解此优化目标函数获得优化结果;
步骤S3,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
2.根据权利要求1所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,步骤S1中,采用i=1,2,……N,j=1,2,……M分别作为蜂窝用户和D2D用户的索引,记:
表示蜂窝用户i到基站的信道系数,蜂窝用户i占用的频带标记为i;
表示蜂窝用户i对第j对D2D用户接收机的干扰信道系数;
表示第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道系数;
表示第j对D2D用户对蜂窝用户i的干扰信道系数;
表示第k对D2D用户发射机在频带i上对第j对D2D用户接收机的干扰信道;
记蜂窝用户i和第j对D2D用户在频带i上发射功率分别为pi和qi,j;得到蜂窝用户i在蜂窝频带i上的信道容量为:
其中为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,为基站接收机的噪声功率,为归一化的信道增益;
第j对D2D用户在蜂窝频带i上的信道容量为:
其中为第j对D2D用户接收机处的随机噪声功率, 分别为归一化的信道增益。
3.根据权利要求2所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,步骤S2中,优化目标函数(3)数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,ρi为蜂窝用户i在蜂窝频带i上的最低通信质量要求。
4.根据权利要求3所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,步骤S2中,将优化目标函数(3)划分为N个子问题并行计算,每个子问题可以转化为以下等价优化问题(6),即对所有i:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (6c)
其中,定义
5.根据权利要求4所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,步骤S2中,将求解优化问题(6)的最优解转换为寻找优化问题(6)的目标函数下界,并通过迭代优化目标函数下界从而求得优化问题(6)的局部最优解。
6.根据权利要求5所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,步骤S2中,求解的过程为:
并且令
优化问题(6)的目标函数(6a)的下界可以表达为:
为Rij通过近似公式(9)获得的下界,以替换Rij,优化问题(6)可以转化为:
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M。 (10c)
上述公式可以转换为以下凸优化问题(11):
7.根据权利要求6所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,采用标准凸优化算法去求解凸优化问题。
8.根据权利要求7所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享方法,其特征是,利用标准凸优化算法求解问题(6)步骤归纳如下:
1)初始化
2)初始化迭代次数t=1;
3)重复以下过程a)-c):
a)利用标准凸优化算法解决问题(11),得到
b)逼近:利用式(8)所示关系更新参数
其中对应的
c)t=t+1;
4)直到收敛。
9.计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享装置,在D2D通信中有N个蜂窝用户与基站建立直接的通信链路,即有N个蜂窝频带,还有M对D2D用户,其特征是,装置包括:
信道容量计算模块,计算得到每一个蜂窝用户在每一个蜂窝频带上的信道容量以及每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上的信道容量;
优化目标建立模块,以最大化所有D2D用户在所有频带上的信道容量和为优化目标函数,同时保证每一个蜂窝用户的信道容量满足最低QoS通信要求、发射功率满足最大发射功率限制,以及每一对D2D用户在每个蜂窝频带上满足最大发射功率限制;
优化目标计算模块,求解优化目标函数获得优化结果。
通信速率计算模块,依据上一步求解结果,获得每一个蜂窝用户和每一对D2D用户在每一个蜂窝频带上发射功率的最优解。
10.根据权利要求9所述的计及蜂窝用户最低传输速率的设备间通信资源共享装置,其特征是,在优化目标建立模块中,
优化目标函数数学形式描述如下:
0≤pi≤Pi,i=1,...,N (3c)
0≤qij≤Qij,i=1,...,N;j=1,...,M (3d)
其中,为共享蜂窝频带i的所有D2D用户的发射功率,Pi,Qij分别为蜂窝用户i,D2D用户j在频带i上的最大发送功率,ρi为蜂窝用户i在蜂窝频带i上的最低通信质量要求。
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