CN109104768B - 一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法 - Google Patents

一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法 Download PDF

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CN109104768B CN201811038231.6A CN201811038231A CN109104768B CN 109104768 B CN109104768 B CN 109104768B CN 201811038231 A CN201811038231 A CN 201811038231A CN 109104768 B CN109104768 B CN 109104768B
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Abstract

一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法,首先,基站BS通过非正较频分多址接入技术发送数据,为移动终端提供数据流量服务;接着,分析系统特性对问题进行等价转化,并将其分解为为顶层问题和底层问题;根据转化得的底层问题特性设计高效的算法求解,最后将算法输出结果代回顶层问题求得最优的带宽与速率分配值。本发明在无线蜂窝网络中应用NOMA技术进行数据发送,为了实现下行链路非正交多址接入节能传输,将带宽与速率联合考虑,在满足所有MU数据流量需求的前提下联合分配带宽和速率实现最高能效的数据传输。

Description

一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分 配方法
技术领域
本发明涉及无线网络中,一种实现资源使用效率优化的基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法。
背景技术
在未来十年里,智能移动终端的爆炸式增长,众多的移动终端对移动数据流量的需求成千倍的增加,如何以及时和低成本的方式有效满足这种日益增长的需求,对网络运营商而言是极具挑战性的。在无线电接入网上,频谱资源极度稀缺,然而未来用户又需要超高传输速率,非正交多址接入(Non-Orthogonal Multiple Access,NOMA)技术被提出来,与传统的正交多址接入(Orthogonal Multiple Access,OMA)技术不同,NOMA通过非正交资源分配可以服务更多用户,通过使大量用户同时共享同一频段信道和采用连续干扰消除机制(Successive Interference Cancellation,SIC)消除同频干扰可以明显提高频谱效率,为用户提供超高传输速率。
发明内容
为了克服现有技术的缺点,本发明提供一种实现资源使用效率优化的基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法,本发明在无线蜂窝网络中应用NOMA技术进行数据发送,为了实现下行链路非正交多址接入节能传输,将带宽与速率联合考虑,在满足所有MU数据流量需求的前提下联合分配带宽和速率实现最高能效的数据传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法,包括以下步骤:
1)在单个运营商的单个宏蜂窝基站mBS的覆盖范围下总共有I个移动终端MT(Mobile Terminals),在该情况下,mBS使用非正交多址接入技术NOMA发送数据;考虑到NOMA的技术特性,引入索引集
Figure BDA0001791432050000022
表示I个MT;首先,由于连续干扰消除机制SIC,对mBS到所有MT的信道增益按照从大到小进行排序,故有以下顺序:
gB1>gB2>…>gBi>gBj>…>gBI, (1)
其中gBi表示mBS到第i个MT的信道增益,
Figure BDA0001791432050000023
在接下来的说明中提到的第i个MT或第j个MT均是在索引集
Figure BDA0001791432050000024
中的;
2)在mBS端,每个MT的瞬时信道增益
Figure BDA0001791432050000025
都是已知的;基于NOMA,mBS会将所有的数据叠加在同一频段上发送给每个MT;在MT端,使用SIC消除MT之间的相互干扰;对于MT i,在接收数据中首先解码MT k的数据,k>i即特指MT k排列在MT i后面,然后将解码后的数据从接收数据中删除,操作顺序是k=I,I-1,I-2,...,i+1,同时将MT j的数据信号视为噪声,j<i即特指MT j排列在MT i前面,根据以上的解码机制,由mBS到MT i的吞吐量为:
Figure BDA0001791432050000021
其中参数定义如下:
pBi:mBS到MT i的发射功率;
Ri:mBS到MT i的数据吞吐量;
WB:服务该组移动终端而分配的带宽量;
n0:背景噪声的功率谱密度;
由此得mBS到所有移动用户的最小总发射功率表示如下:
Figure BDA0001791432050000031
其中假设gB0是一个足够大的值,因此
Figure BDA0001791432050000032
3)基于上面的最小发射功率表达式,制定以下BS的带宽使用WB和MT的服务吞吐量
Figure BDA00017914320500000312
的联合优化问题:
(P1):
Figure BDA0001791432050000033
subject to:
Figure BDA0001791432050000034
Figure BDA0001791432050000035
Figure BDA0001791432050000036
variables:WB,and
Figure BDA00017914320500000313
其中参数定义如下:
Figure BDA0001791432050000037
mBS的总功率;
Figure BDA0001791432050000038
mBS所具备的总带宽;
Figure BDA0001791432050000039
MT i的最小速率需求;
Figure BDA00017914320500000310
MT i的速率分配上限;
在目标函数中,
Figure BDA00017914320500000311
表示BS在服务MT的流量时的净收益,其中α表示提供MT的流量的边际报酬,β表示占用频率信道的成本,参数p0表示BS的固定功耗,目标函数表示通过BS的净收益与BS的总功耗之间的比率来测量的能量效率;
4)解决问题(P1)的关键思想是利用其分层结构,引入一个辅助变量η,它表示能效的下限:
Figure BDA0001791432050000041
使用η,可以等效地将问题(P1)转换为:
(P1-E):maxη
subject to:
Figure BDA0001791432050000042
variables:WB
Figure BDA0001791432050000045
andη≥0
设η*表示问题(P1-E)的最优解,即η*是原问题(P1)的最大能量效率,问题(P1-E)的目标是要找到可行域内η的最大值,即η*,在给定η条件下,为了确定由约束条件所构造的可行区域是否为非空,只需要考虑:
(P1-E-Sub):
Figure BDA0001791432050000043
subject to:constraints(4),(5),and(6)
variables:WB,and
Figure BDA0001791432050000046
基于问题(P1-E-Sub)的Vη输出,解决问题(P1-E)可以找到η*,如下:
(P1-E-Top):η*=arg max{η∈[0,ηmax]|Vη≥0},
其中上限
Figure BDA0001791432050000044
然而,问题(P1-E-Sub)仍然是关于WB
Figure BDA0001791432050000047
的非凸优化,采用更进一层的分解,即除了给定的η之外,进一步假设给出了带宽分配WB,并优化
Figure BDA00017914320500000512
如下:
(RA-Sub):
Figure BDA0001791432050000051
subject to:
Figure BDA0001791432050000052
variables:
Figure BDA0001791432050000053
通过将
Figure BDA0001791432050000054
(即,问题(RA--Sub)的输出)视为WB的函数,继续如下优化WB
(BA-Top):
Figure BDA0001791432050000055
variables:
Figure BDA0001791432050000056
5)基于上述分析,提出Subroutine-RA算法来获得
Figure BDA0001791432050000057
6)使用Subroutine-RA算法,可以找到每个给定η时的
Figure BDA0001791432050000058
值,问题(BA-Top)是单变量优化问题,采用线性搜索方法来找到
Figure BDA0001791432050000059
提出Subroutine-forEE算法来解决问题(BA-Top),其核心思想是采取线性搜索的方法,设定一个很小的搜索步长,逐一枚举WB,找到最优的带宽分配;
7)在给定η下,如果Vη≥0则说明构造的可行域非空,否则,说明构造的可行域为空,对于问题(P1-E-Sub),Vη的值随着η的增大而减小,可行域内η的最大值出现在Vη=0处,采用二分法来求最大的η,即η*
进一步,所述步骤5)中,Subroutine-RA算法包括以下步骤:
步骤5.1:给定初始的速率分配
Figure BDA00017914320500000510
当前最佳解CBS=Rini,当前
Figure BDA00017914320500000511
的最大值CBV=0,设置迭代次数q=1,初始温度Tini=97,温度衰减函数系数d=0.95,马尔科夫链长度L=I2,最终温度
Figure BDA0001791432050000061
步骤5.2:计算给定η和WB条件下,当前速率分配Rcur=Rini情况下的
Figure BDA0001791432050000062
更新
Figure BDA0001791432050000063
步骤5.3:如果Tt≥Tfinal,则执行步骤5.4,否则执行步骤5.15;
步骤5.4:如果q≤L,则执行步骤5.5,否则执行步骤11.14;
步骤5.5:在当前速率分配Rcur随机选择一个移动终端
Figure BDA00017914320500000613
的速率分配Ri。产生一个随机数γ∈(0,1),如果γ≤0.5,Ri=Ri+δ,否则,Ri=Ri-δ;
步骤5.6:如果
Figure BDA0001791432050000064
更新
Figure BDA0001791432050000065
得出最新速率分配Rnew,执行步骤5.8,否则,执行步骤5.7;
步骤5.7:如果
Figure BDA0001791432050000066
更新
Figure BDA0001791432050000067
得出最新速率分配Rnew,否则,直接得出最新速率分配Rnew
步骤5.8:如果
Figure BDA0001791432050000068
那么执行步骤5.9,否则执行步骤5.5;
步骤5.9:计算给定η和WB条件下,最新速率分配Rnew情况下的
Figure BDA0001791432050000069
更新
Figure BDA00017914320500000610
Figure BDA00017914320500000611
步骤5.10:如果Znew>Zcur,那么,更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则直接执行步骤5.12;
步骤5.11:如果Znew>CBV,那么BS更新CBV=Znew,CBS=Rnew,否则直接执行步骤5.13;
步骤5.12:设定Δ=Znew-Zcur,以
Figure BDA00017914320500000612
的概率更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则,更新Znew=Zcur
步骤5.13::BS更新q=q+1,返回步骤5.4;;
步骤5.14:BS更新Tt=Tt*d,返回步骤5.3;
步骤5.15:BS根据CBS设定
Figure BDA0001791432050000071
Figure BDA0001791432050000072
再进一步,所述步骤6)中,找到最优的带宽分配过程包括以下步骤:
步骤6.1:设定一个很小的步长Δ,并初始化
Figure BDA0001791432050000073
初始化当前最佳解
Figure BDA0001791432050000074
当前最佳值CBV=0;
步骤6.2:如果
Figure BDA0001791432050000075
则执行步骤6.3,否则执行步骤6.6;
步骤6.3:给定η,用Subroutine-RA算法来得出
Figure BDA0001791432050000076
步骤6.4:如果
Figure BDA0001791432050000077
那么设定
Figure BDA0001791432050000078
Figure BDA0001791432050000079
步骤6.5:更新
Figure BDA00017914320500000710
继续执行步骤6.2;
步骤6.6:输出
Figure BDA00017914320500000711
所述步骤7)中,二分法的过程包括以下步骤:
步骤7.1:设定当前上限ηupp=ηmax,当前下限ηlow=0,初始化计算误差的精确度tol;
步骤7.2:如果|ηupplow|≥tol,则执行步骤7.3,否则执行步骤7.6;
步骤7.3:设定
Figure BDA00017914320500000712
用Subroutine-forEE算法来获得Vη
步骤7.4:如果Vη<0,设定ηupp=ηtemp,否则,设定ηlow=ηtemp
步骤7.5:回到步骤7.2继续执行;
步骤7.6:输出η*=ηtemp
本发明的技术构思为:首先,在无线接入网络中,单个宏蜂窝基站(macro BaseStation,mBS)通过非正交多址接入(NOMA)为I个移动终端(Mobile Terminals,MT)提供接入服务,发送数据。使用NOMA可以提升系统频谱效率。接着,应用连续干扰消除机制(SIC)消除部分同频干扰提升系统数据传输质量。然后,在满足所有移动终端(MT)数据流量需求的基础下最大化系统能效。该问题是一个多变量问题,通过一系列的问题的拆分,将其等价转化为单变量问题,利用其隐藏的凸性,最后设计有效算法来求出最优的带宽和速率分配实现能效最高,进而实现本发明的目标。
本发明的有益效果主要表现在:1、对于整体系统而言,引入NOMA技术不仅契合未来第五代移动通信技术(5G)的发展要求,同时提升频谱使用效率;2、将带宽分配与功速率分配两个不同的问题联合考虑,实现系统整体能效最大化。
附图说明
图1是无线网络中多个终端MT,单个宏基站BS的场景示意图。
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1,一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法,实行该方法能在同时满足数据需求的前提下,使得系统能效最大,提高整个系统的无线资源利用率。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包括以下步骤:
1)在单个运营商的单个宏蜂窝基站mBS的覆盖范围下总共有I个移动终端(MobileTerminals,MT),在该情况下,mBS使用非正交多址接入技术NOMA发送数据;考虑到NOMA的技术特性,引入索引集
Figure BDA0001791432050000092
表示I个MT;首先,由于连续干扰消除机制SIC,对mBS到所有MT的信道增益按照从大到小进行排序,故有以下顺序:
gB1>gB2>…>gBi>gBj>…>gBI, (1)
其中gBi表示mBS到第i个MT的信道增益,
Figure BDA0001791432050000093
在接下来的说明中提到的第i个MT或第j个MT均是在索引集
Figure BDA0001791432050000094
中的;
2)在mBS端,每个MT的瞬时信道增益
Figure BDA0001791432050000095
都是已知的;基于NOMA,mBS会将所有的数据叠加在同一频段上发送给每个MT;在MT端,使用SIC消除MT之间的相互干扰;对于MT i,在接收数据中首先解码MT k的数据,k>i即特指MT k排列在MT i后面,然后将解码后的数据从接收数据中删除,操作顺序是k=I,I-1,I-2,...,i+1,同时将MT j的数据信号视为噪声,j<i即特指MTj排列在MT i前面,根据以上的解码机制,由mBS到MT i的吞吐量为:
Figure BDA0001791432050000091
其中参数定义如下:
pBi:mBS到MT i的发射功率;
Ri:mBS到MT i的数据吞吐量;
WB:服务该组移动终端而分配的带宽量;
n0:背景噪声的功率谱密度;
由此得mBS到所有移动用户的最小总发射功率表示如下:
Figure BDA0001791432050000101
其中假设gB0是一个足够大的值,因此
Figure BDA0001791432050000102
3)基于上面的最小发射功率表达式,制定以下BS的带宽使用WB和MT的服务吞吐量
Figure BDA00017914320500001013
的联合优化问题:
(P1):
Figure BDA0001791432050000103
subject to:
Figure BDA0001791432050000104
Figure BDA0001791432050000105
Figure BDA0001791432050000106
variables:WB,and
Figure BDA00017914320500001014
其中参数定义如下:
Figure BDA0001791432050000107
mBS的总功率;
Figure BDA0001791432050000108
mBS所具备的总带宽;
Figure BDA0001791432050000109
MT i的最小速率需求;
Figure BDA00017914320500001010
MT i的速率分配上限;
在目标函数中,
Figure BDA00017914320500001011
表示BS在服务MT的流量时的净收益,其中α表示提供MT的流量的边际报酬,β表示占用频率信道的成本,参数p0表示BS的固定功耗,目标函数表示通过BS的净收益与BS的总功耗之间的比率来测量的能量效率;
4)解决问题(P1)的关键思想是利用其分层结构,引入一个辅助变量η,它表示能效的下限:
Figure BDA00017914320500001012
使用η,可以等效地将问题(P1)转换为:
(P1-E):maxη
subject to:
Figure BDA0001791432050000111
variables:WB
Figure BDA0001791432050000118
andη≥0
设η*表示问题(P1-E)的最优解,即η*是原问题(P1)的最大能量效率,问题(P1-E)的目标是要找到可行域内η的最大值(即η*),在给定η条件下,为了确定由约束条件所构造的可行区域是否为非空,只需要考虑:
(P1-E-Sub):
Figure BDA0001791432050000112
subject to:constraints(4),(5),and(6)
variables:WB,and
Figure BDA0001791432050000115
基于问题(P1-E-Sub)的Vη输出,解决问题(P1-E)可以找到η*,如下:
(P1-E-Top):η*=arg max{η∈[0,ηmax]|Vη≥0},
其中上限
Figure BDA0001791432050000113
然而,问题(P1-E-Sub)仍然是关于WB
Figure BDA0001791432050000116
的非凸优化,采用更进一层的分解,即除了给定的η之外,进一步假设给出了带宽分配WB,并优化
Figure BDA0001791432050000117
如下:
(RA-Sub):
Figure BDA0001791432050000114
Figure BDA0001791432050000121
subject to:
Figure BDA0001791432050000122
variables:
Figure BDA0001791432050000123
通过将
Figure BDA0001791432050000124
(即,问题(RA-Sub)的输出)视为WB的函数,继续如下优化WB
(BA-Top):
Figure BDA0001791432050000125
variables:
Figure BDA0001791432050000126
5)基于上述分析,提出Subroutine-RA算法来获得
Figure BDA0001791432050000127
包括以下步骤:
步骤5.1:给定初始的速率分配
Figure BDA0001791432050000128
当前最佳解CBS=Rini,当前
Figure BDA0001791432050000129
的最大值CBV=0,设置迭代次数q=1,初始温度Tini=97,温度衰减函数系数d=0.95,马尔科夫链长度L=I2,最终温度
Figure BDA00017914320500001210
步骤5.2:计算给定η和WB条件下,当前速率分配Rcur=Rini情况下的
Figure BDA00017914320500001211
更新
Figure BDA00017914320500001212
步骤5.3:如果Tt≥Tfinal,则执行步骤5.4,否则执行步骤5.15;
步骤5.4:如果q≤L,则执行步骤5.5,否则执行步骤11.14;
步骤5.5:在当前速率分配Rcur随机选择一个移动终端
Figure BDA00017914320500001215
的速率分配Ri。产生一个随机数γ∈(0,1),如果γ≤0.5,Ri=Ri+δ,否则,Ri=Ri-δ;
步骤5.6:如果
Figure BDA00017914320500001213
更新
Figure BDA00017914320500001214
得出最新速率分配Rnew,执行步骤5.8,否则,执行步骤5.7;
步骤5.7:如果
Figure BDA0001791432050000131
更新
Figure BDA0001791432050000132
得出最新速率分配Rnew,否则,直接得出最新速率分配Rnew
步骤5.8:如果
Figure BDA0001791432050000133
那么执行步骤5.9,否则执行步骤5.5;
步骤5.9:计算给定η和WB条件下,最新速率分配Rnew情况下的
Figure BDA0001791432050000134
更新
Figure BDA0001791432050000135
Figure BDA0001791432050000136
步骤5.10:如果Znew>Zcur,那么,更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则直接执行步骤5.12;
步骤5.11:如果Znew>CBV,那么BS更新CBV=Znew,CBS=Rnew,否则直接执行步骤5.13;
步骤5.12:设定Δ=Znew-Zcur,以
Figure BDA0001791432050000137
的概率更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则,更新Znew=Zcur
步骤5.13::BS更新q=q+1,返回步骤5.4;;
步骤5.14:BS更新Tt=Tt*d,返回步骤5.3;
步骤5.15:BS根据CBS设定
Figure BDA0001791432050000138
6)使用Subroutine-RA算法,可以找到每个给定η时的
Figure BDA0001791432050000139
值。因此,可以继续解决问题(BA-Top),解决问题(BA-Top)的难点在于不能分析地表达
Figure BDA00017914320500001310
这阻止了使用传统的基于梯度的方法;问题(BA-Top)是单变量优化问题,采用线性搜索方法来找到
Figure BDA00017914320500001311
我们提出Subroutine-forEE算法来解决问题(BA-Top),其核心思想是采取线性搜索的方法,设定一个很小的搜索步长,逐一枚举WB,找到最优的带宽分配,过程包括以下步骤:
步骤6.1:设定一个很小的步长Δ,并初始化
Figure BDA0001791432050000141
初始化当前最佳解
Figure BDA0001791432050000142
当前最佳值CBV=0;
步骤6.2:如果
Figure BDA0001791432050000143
则执行步骤6.3,否则执行步骤6.6;
步骤6.3:给定η,用Subroutine-RA算法来得出
Figure BDA0001791432050000144
步骤6.4:如果
Figure BDA0001791432050000145
那么设定
Figure BDA0001791432050000146
Figure BDA0001791432050000147
步骤6.5:更新
Figure BDA0001791432050000148
继续执行步骤6.2;
步骤6.6:输出
Figure BDA0001791432050000149
7)在给定η下,如果Vη≥0则说明构造的可行域非空,否则,说明构造的可行域为空;对于问题(P1-E-Sub),Vη的值随着η的增大而减小,可行域内η的最大值出现在Vη=0处,采用二分法来求最大的η(即,η*),过程包括以下步骤:
步骤7.1:设定当前上限ηupp=ηmax,当前下限ηlow=0,初始化计算误差的精确度tol;
步骤7.2:如果|ηupplow|≥tol,则执行步骤7.3,否则执行步骤7.6;
步骤7.3:设定
Figure BDA00017914320500001410
用Subroutine-forEE算法来获得Vη
步骤7.4:如果Vη<0,设定ηupp=ηtemp,否则,设定ηlow=ηtemp
步骤7.5:回到步骤7.2继续执行;
步骤7.6:输出η*=ηtemp
在本实施案例中,图1是本发明考虑的无线网络中包含有一个宏基站BS和若干移动终端MT的系统。在该系统中,主要考虑的不包括干扰,但是会考虑到1.移动终端MT与基站BS之间的信道环境;2.移动终端MT的数据需求;3.基站BS对于移动终端MT的资源分配情况;4.移动终端MT的速率需求对于系统消耗的影响。为了使得系统获得一个服务质量有很大保证同时达到能效最大的目标,提出发明实现对于该问题的解决。
本实施例着眼于在满足移动终端MT的服务品质需求QoS的前提下,最大化系统中宏基站BS的能效,利用带宽和速率分配方法,实现无线资源利用率的提高。本发明在实行过程中,得益于优化算法对于计算复杂度的减少。

Claims (1)

1.一种基于模拟退火算法的非正交多址接入联合带宽和速率分配方法,其特征在于,所述方法包括以下步骤:
1)在单个运营商的单个宏蜂窝基站mBS的覆盖范围下总共有I个移动终端MT,在该情况下,mBS使用非正交多址接入技术NOMA发送数据;考虑到NOMA的技术特性,引入索引集
Figure FDA0003897267250000012
表示I个MT;首先,由于连续干扰消除机制SIC,对mBS到所有MT的信道增益按照从大到小进行排序,故有以下顺序:
gB1>gB2>…>gBi>gBj>…>gBI, (1)
其中gBi表示mBS到第i个MT的信道增益,
Figure FDA0003897267250000013
在接下来的说明中提到的第i个MT或第j个MT均是在索引集
Figure FDA0003897267250000014
中的;
2)在mBS端,每个MT的瞬时信道增益
Figure FDA0003897267250000015
都是已知的;基于NOMA,mBS会将所有的数据叠加在同一频段上发送给每个MT;在MT端,使用SIC消除MT之间的相互干扰;对于MTi,在接收数据中首先解码MT k的数据,k>i即特指MT k排列在MTi后面,然后将解码后的数据从接收数据中删除,操作顺序是k=I,I-1,I-2,…,i+1,同时将MT j的数据信号视为噪声,j<i即特指MT j排列在MTi前面,根据以上的解码机制,由mBS到MTi的吞吐量为:
Figure FDA0003897267250000011
其中参数定义如下:
pBi:mBS到MTi的发射功率;
Ri:mBS到MTi的数据吞吐量;
WB:服务该组移动终端而分配的带宽量;
n0:背景噪声的功率谱密度;
由此得mBS到所有移动用户的最小总发射功率表示如下:
Figure FDA0003897267250000021
其中假设gB0是一个足够大的值,因此
Figure FDA0003897267250000022
3)基于上面的最小总发射功率表达式,制定以下BS的带宽使用WB和MT的服务吞吐量
Figure FDA00038972672500000212
的联合优化问题:
(P1):
Figure FDA0003897267250000023
subject to:
Figure FDA0003897267250000024
Figure FDA0003897267250000025
Figure FDA0003897267250000026
variables:
Figure FDA00038972672500000213
其中参数定义如下:
Figure FDA0003897267250000027
mBS的总功率;
Figure FDA0003897267250000028
mBS所具备的总带宽;
Figure FDA0003897267250000029
MTi的最小速率需求;
Figure FDA00038972672500000210
MTi的速率分配上限;
在目标函数中,
Figure FDA00038972672500000211
表示BS在服务MT的流量时的净收益,其中α表示提供MT的流量的边际报酬,β表示占用频率信道的成本,参数p0表示BS的固定功耗,目标函数表示通过BS的净收益与BS的总功耗之间的比率来测量的能量效率;
4)解决问题(P1)的关键思想是利用其分层结构,引入一个辅助变量η,它表示能效的下限:
Figure FDA0003897267250000031
使用η,可以等效地将问题(P1)转换为:
Figure FDA0003897267250000032
设η*表示问题(P1-E)的最优解,即η*是原问题(P1)的最大能量效率,问题(P1-E)的目标是要找到可行域内η的最大值,即η*,在给定η条件下,为了确定由约束条件所构造的可行区域是否为非空,只需要考虑:
(P1-E-Sub):
Figure FDA0003897267250000033
Figure FDA0003897267250000034
subject to:constraints(4),(5),and(6)
variables:
Figure FDA0003897267250000037
基于问题(P1-E-Sub)的Vη输出,解决问题(P1-E)可以找到η*,如下:
(P1-E-Top):
Figure FDA0003897267250000035
其中上限
Figure FDA0003897267250000036
然而,问题(P1-E-Sub)仍然是关于WB
Figure FDA0003897267250000038
的非凸优化,采用更进一层的分解,即除了给定的η之外,进一步假设给出了带宽分配WB,并优化
Figure FDA0003897267250000049
如下:
Figure FDA0003897267250000041
通过将
Figure FDA00038972672500000410
视为WB的函数,继续如下优化WB
(BA-Top):
Figure FDA0003897267250000042
variables:
Figure FDA0003897267250000043
5)基于上述分析,提出Subroutine-RA算法来获得
Figure FDA0003897267250000044
6)使用Subroutine-RA算法,可以找到每个给定η时的
Figure FDA0003897267250000045
值,问题(BA-Top)是单变量优化问题,采用线性搜索方法来找到
Figure FDA0003897267250000046
提出Subroutine-forEE算法来解决问题(BA-Top),其核心思想是采取线性搜索的方法,设定搜索步长,逐一枚举WB,找到最优的带宽分配;
7)在给定η下,如果Vη≥0则说明构造的可行域非空,否则,说明构造的可行域为空,对于问题(P1-E-Sub),Vη的值随着η的增大而减小,可行域内η的最大值出现在Vη=0处,采用二分法来求最大的η,即η*
所述步骤5)中,Subroutine-RA算法包括以下步骤:
步骤5.1:给定初始的速率分配
Figure FDA0003897267250000047
当前最佳解CBS=Rini,当前
Figure FDA0003897267250000048
的最大值CBV=0,设置迭代次数q=1,初始温度Tini=97,温度衰减函数系数d=0.95,马尔科夫链长度L=I2,最终温度
Figure FDA0003897267250000051
步骤5.2:计算给定η和WB条件下,当前速率分配Rcur=Rini情况下的
Figure FDA0003897267250000052
更新
Figure FDA0003897267250000053
步骤5.3:如果Tt≥Tfinal,则执行步骤5.4,否则执行步骤5.15;
步骤5.4:如果q≤L,则执行步骤5.5,否则执行步骤5.14;
步骤5.5:在当前速率分配Rcur随机选择一个移动终端
Figure FDA00038972672500000513
的速率分配Ri,产生一个随机数γ∈(0,1),如果γ≤0.5,Ri=Ri+δ,否则,Ri=Ri-δ;
步骤5.6:如果
Figure FDA0003897267250000054
更新
Figure FDA0003897267250000055
得出最新速率分配Rnew,执行步骤5.8,否则,执行步骤5.7;
步骤5.7:如果
Figure FDA0003897267250000056
更新
Figure FDA0003897267250000057
得出最新速率分配Rnew,否则,直接得出最新速率分配Rnew
步骤5.8:如果
Figure FDA0003897267250000058
那么执行步骤5.9,否则执行步骤5.5;
步骤5.9:计算给定η和WB条件下,最新速率分配Rnew情况下的
Figure FDA0003897267250000059
更新
Figure FDA00038972672500000510
Figure FDA00038972672500000511
步骤5.10:如果Znew>Zcur,那么,更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则直接执行步骤5.12;
步骤5.11:如果Znew>CBV,那么BS更新CBV=Znew,CBS=Rnew,否则直接执行步骤5.13;
步骤5.12:设定Δ=Znew-Zcur,以
Figure FDA00038972672500000512
的概率更新Rcur=Rnew,Zcur=Znew,否则,更新Znew=Zcur
步骤5.13:BS更新q=q+1,返回步骤5.4;
步骤5.14:BS更新Tt=Tt*d,返回步骤5.3;
步骤5.15:BS根据CBS设定
Figure FDA0003897267250000061
Figure FDA0003897267250000062
所述步骤6)中,找到最优的带宽分配过程包括以下步骤:
步骤6.1:设定步长Δ,并初始化
Figure FDA0003897267250000063
初始化当前最佳解
Figure FDA0003897267250000064
当前最佳值CBV=0;
步骤6.2:如果
Figure FDA0003897267250000065
则执行步骤6.3,否则执行步骤6.6;
步骤6.3:给定η,用Subroutine-RA算法来得出
Figure FDA0003897267250000066
步骤6.4:如果
Figure FDA0003897267250000067
那么设定
Figure FDA0003897267250000068
Figure FDA0003897267250000069
步骤6.5:更新
Figure FDA00038972672500000610
继续执行步骤6.2;
步骤6.6:输出
Figure FDA00038972672500000611
所述步骤7)中,二分法的过程包括以下步骤:
步骤7.1:设定当前上限ηupp=ηmax,当前下限ηlow=0,初始化计算误差的精确度tol;
步骤7.2:如果|ηupplow|≥tol,则执行步骤7.3,否则执行步骤7.6;
步骤7.3:设定
Figure FDA00038972672500000612
用Subroutine-forEE算法来获得Vη
步骤7.4:如果Vη<0,设定ηupp=ηtemp,否则,设定ηlow=ηtemp
步骤7.5:回到步骤7.2继续执行;
步骤7.6:输出η*=ηtemp
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