CN110337111A - 一种无线通信网络功率分配方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种无线通信网络功率分配方法,能够最大化无线通信网络系统的能量效率。所述方法包括:根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。本发明涉及无线通信领域。
Description
技术领域
本发明涉及无线通信领域,特别是指一种无线通信网络功率分配方法。
背景技术
第一代移动通信(1G)在1980年出现,之后大约每隔10年,无线通信技术就会从设备本身和移动载体两个方面进行改进。2008年发布了第四代移动通信(4G)。其数据通信传输速率可达每秒百兆以上,从而可以更好提供给用户来浏览网页、游戏服务、HD移动电视、视频会议这些高数据速率需求的功能。但是,随着智能终端的普及应用以及新业务的推广,相应的无线传输速率也呈指数增长。思科在2017年3月发布的白皮书中指出,在过去的一年时间里,全球总共消耗的数据流量达到86.4艾字节,大约是过去五年的18倍,值得注意的是4G占了其中的69%。仅2016年一年时间全球的移动设备增加了4.29亿,使得全球的通信设备总量达到80亿,智能手机在该年的增长率达到38%,到2021年底,这一数字将达到116亿,相当于人均1.5部手机。虽然智能手机仅占总设备数量的45%,但却占据了81%的移动流量。海量的智能设备造成了移动通信数据的爆炸式增长,该公司预测2016年到2022年,用户对数据流量的需求将会增加到588字节之多,而相对应的复合增长率增加到47%。因此,很多国家都投入大量的人力和物力用于新一代无线通信技术研究。
通信设备的能源消耗也是会致使气候产生异常。在《GeSI SMARTer 2020:TheRole of ICT in Driving a Sustainable Futter》中预计2002年到2020年,通信产业产生的二氧化碳比重增加到4%,达到14.3亿吨。在全球信息通信产业能耗中,无线通信设备的能量消耗比例增长较快,在2002年,全世界由通信设备而产生的二氧化碳排放量仅仅为0.64亿吨,相对应的增长率为12%,然而随着科技日趋发展导致智能终端设备的大众化,到2020年这一数字将翻倍。无线通信能源消耗主要包括基站和其他网络设备的能源消耗,分别占了57%和28%。一些耗电量高而性能差的通信设备不仅会增加运营费用而且对环境也造成了很大的危害。所以,为了降低运行成本,减少二氧化碳的排放,实现可持续发展,就必须降低设备的能耗,实现绿色通信。绿色通信主要是通过应用智能温控、高效功放等无线通信理论来实现。为了推动绿色通信技术的发展,国际上专门成立了一些组织,共同致力于绿色通信理论的研究。因此,未来的移动通信设备需要以更低的耗电量来维持或高于当前通信设备的性能,以此实现绿色通信。现有技术中,还没有有效的方法能够使无线通信网络系统的能量效率最大化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种无线通信网络功率分配方法,能够最大化无线通信网络系统的能量效率。
为解决上述技术问题,本发明实施例提供一种无线通信网络功率分配方法,包括:
根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;
根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;
根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;
根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
进一步地,所述根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型包括:
根据基站与用户之间的信道增益,确定2个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的信号干扰噪声比γnku、γnkl;
根据γnku、γnkl,确定子信道k上的总速率Ck;
根据Ck,确定子信道k上的能量效率Ek;
根据Ek及子信道的数目,确定系统总的能量效率E;
以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型。
进一步地,用户SCUu在子信道k上的信号干扰噪声比γnku表示为:
用户SCUl在子信道k上的信号干扰噪声比γnkl表示为:
其中,αk为两个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的功率比例因子;pnk为家庭基站SBSn在子信道k上传输功率;gnku为家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUu的信道增益;pik为家庭基站SBSi在子信道k上传输功率;giku为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUu的信道增益;p0k为宏基站在子信道k上传输功率;g0ku为宏基站通过子信道k到达SCUu的信道增益;为子信道k上的噪声功率;N表示家庭基站的数目;gnkl表示家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUl的信道增益;gikl为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUl的信道增益;g0kl为宏基站通过子信道k到达SCUl的信道增益。
进一步地,子信道k上的总速率Ck表示为:
其中,B表示总频段宽度,K表示子信道的数目。
进一步地,子信道k上的能量效率Ek表示为:
其中,pk为家庭基站SBSn在子信道k上总发射功率,pc为额外电路功率消耗。
进一步地,系统总的能量效率E表示为:
进一步地,能量效率优化模型表示为:
其中,为家庭基站的集合;为子信道集合;C1、C2、C3和C4都表示约束条件;ptotal为所有家庭基站的发射功率的和;Rmin表示最小传输速率;Iu最大干扰门限。
进一步地,所述根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表包括:
S21,当在子信道k上进行用户分配时,将具有最大信道增益和第二大信道增益的用户分配在子信道k上;
S22,按照S21的原则进行其他子信道上的用户分配直到用户分配完为止,得到初始信道分配列表。
进一步地,所述根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表包括:
根据初始信道分配列表,确定给每个用户分配的平均发射功率paver,其中,paver=ptotal÷U,U表示用户的数目;
确定平均发射功率paver下每个用户的传输速率;
将传输速率之间的差值小于预设阈值的两个用户分配在同一个子信道上,得到目标信道分配列表。
进一步地,所述根据得到的最终信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率包括:
将能量效率优化模型转化为:
其中,h(αk)和g(αk)都为简写形式,h(αk)和g(αk)分别表示为:
根据得到的最终信道分配结果,通过凸函数差分规划方法,确定使得系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
本发明的上述技术方案的有益效果如下:
上述方案中,根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率;这样,能够最大化无线通信网络系统的能量效率。
附图说明
图1为本发明实施例提供的无线通信网络功率分配方法的流程示意图。
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无线通信网络功率分配方法,包括:
S1,根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;
S2,根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;
S3,根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;
S4,根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
本发明实施例所述的无线通信网络功率分配方法,根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率;这样,能够最大化无线通信网络系统的能量效率。
本实施例中,假设所述无线通信网络为一个超密集异构非正交多址接入网络,包括:一个宏基站和N个家庭基站,和分别为家庭基站的集合和家庭基站用户的集合,子信道集合为
本实施例中,为了简化描述,将家庭基站用户简称为用户。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,所述根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型包括:
根据基站与用户之间的信道增益,确定2个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的信号干扰噪声比γnku、γnkl;
根据γnku、γnkl,确定子信道k上的总速率Ck;
根据Ck,确定子信道k上的能量效率Ek;
根据Ek及子信道的数目,确定系统总的能量效率E;
以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,用户SCUu在子信道k上的信号干扰噪声比γnku表示为:
用户SCUl在子信道k上的信号干扰噪声比γnkl表示为:
其中,αk为两个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的功率比例因子;pnk为家庭基站SBSn在子信道k上传输功率;gnku为家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUu的信道增益;pik为家庭基站SBSi在子信道k上传输功率;giku为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUu的信道增益;p0k为宏基站在子信道k上传输功率;g0ku为宏基站通过子信道k到达SCUu的信道增益;为子信道k上的噪声功率;N表示家庭基站的数目;gnkl表示家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUl的信道增益;gikl为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUl的信道增益;g0kl为宏基站通过子信道k到达SCUl的信道增益。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,子信道k上的总速率Ck表示为:
其中,B表示总频段宽度,K表示子信道的数目。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,子信道k上的能量效率Ek表示为:
其中,pk为家庭基站SBSn在子信道k上总发射功率,pc为额外电路功率消耗。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,系统总的能量效率E表示为:
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,能量效率优化模型表示为:
其中,为家庭基站的集合;为子信道集合;C1、C2、C3和C4都表示约束条件;ptotal为所有家庭基站的发射功率的和;Rmin表示最小传输速率;Iu最大干扰门限。
本实施例中,约束条件C1表示家庭基站SBSn在子信道k上传输功率大于0;C2表示所有传输功率的和要小于所有家庭基站的发射功率的和ptotal;C3是用户服务质量约束,所有用户的传输速率求和要大于等于最小传输速率Rmin;C4为干扰限制,其他用户对用户SCUu的干扰要小于干扰门限Iu。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,所述根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表包括:
S21,当在子信道k上进行用户分配时,将具有最大信道增益和第二大信道增益的用户分配在子信道k上;
S22,按照S21的原则进行其他子信道上的用户分配直到用户分配完为止,得到初始信道分配列表。
在前述无线通信网络功率分配方法的具体实施方式中,进一步地,所述根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表包括:
根据初始信道分配列表,确定给每个用户分配的平均发射功率paver,其中,paver=ptotal÷U,U表示用户的数目;
确定平均发射功率paver下每个用户的传输速率;
将传输速率之间的差值小于预设阈值的两个用户分配在同一个子信道上,得到目标信道分配列表。
本实施例中,可以将传输速率相近的两个用户分配在同一个子信道上。
本实施例中,根据得到的目标信道分配结果,为了使用凸函数差分规划方法,得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率,首先,需将能量效率优化模型转化为:
其中,h(αk)和g(αk)都为简写形式,h(αk)和g(αk)分别表示为:
本实施例中,令h(αk)和g(αk)对αk求一阶偏导,得到:
令h(αk)和g(αk)对αk求二阶偏导,得到:
其中,所以h(αk)和g(αk)为凸函数,可以使用凸函数差分规划方法求αk,然后再使用凸函数差分规划方法求得使得系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
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 (10)
1.一种无线通信网络功率分配方法,其特征在于,包括:
根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型;
根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表;
根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表;
根据得到的目标信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
2.根据权利要求1所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,所述根据基站与用户之间的信道增益,以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型包括:
根据基站与用户之间的信道增益,确定2个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的信号干扰噪声比γnku、γnkl;
根据γnku、γnkl,确定子信道k上的总速率Ck;
根据Ck,确定子信道k上的能量效率Ek;
根据Ek及子信道的数目,确定系统总的能量效率E;
以最大化系统总的能量效率为目标,建立能量效率优化模型。
3.根据权利要求2所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,用户SCUu在子信道k上的信号干扰噪声比γnku表示为:
用户SCUl在子信道k上的信号干扰噪声比γnkl表示为:
其中,αk为两个用户SCUu、SCUl在同一子信道k上的功率比例因子;pnk为家庭基站SBSn在子信道k上传输功率;gnku为家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUu的信道增益;pik为家庭基站SBSi在子信道k上传输功率;giku为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUu的信道增益;p0k为宏基站在子信道k上传输功率;g0ku为宏基站通过子信道k到达SCUu的信道增益;为子信道k上的噪声功率;N表示家庭基站的数目;gnkl表示家庭基站SBSn通过子信道k到达SCUl的信道增益;gikl为家庭基站SBSi通过子信道k到达SCUl的信道增益;g0kl为宏基站通过子信道k到达SCUl的信道增益。
4.根据权利要求3所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,子信道k上的总速率Ck表示为:
其中,B表示总频段宽度,K表示子信道的数目。
5.根据权利要求4所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,子信道k上的能量效率Ek表示为:
其中,pk为家庭基站SBSn在子信道k上总发射功率,pc为额外电路功率消耗。
6.根据权利要求5所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,系统总的能量效率E表示为:
7.根据权利要求6所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,能量效率优化模型表示为:
其中,为家庭基站的集合;为子信道集合;C1、C2、C3和C4都表示约束条件;ptotal为所有家庭基站的发射功率的和;Rmin表示最小传输速率;Iu最大干扰门限。
8.根据权利要求7所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,所述根据基站与用户之间的信道增益,利用匹配理论进行信道分配,得到初始信道分配列表包括:
S21,当在子信道k上进行用户分配时,将具有最大信道增益和第二大信道增益的用户分配在子信道k上;
S22,按照S21的原则进行其他子信道上的用户分配直到用户分配完为止,得到初始信道分配列表。
9.根据权利要求8所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,所述根据初始信道分配列表,计算平均发射功率下用户的传输速率,按照传输速率的大小对信道再分配,得到目标信道分配列表包括:
根据初始信道分配列表,确定给每个用户分配的平均发射功率paver,其中,paver=ptotal÷U,U表示用户的数目;
确定平均发射功率paver下每个用户的传输速率;
将传输速率之间的差值小于预设阈值的两个用户分配在同一个子信道上,得到目标信道分配列表。
10.根据权利要求9所述的无线通信网络功率分配方法,其特征在于,所述根据得到的最终信道分配结果,通过凸函数差分规划得到系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率包括:
将能量效率优化模型转化为:
其中,h(αk)和g(αk)都为简写形式,h(αk)和g(αk)分别表示为:
根据得到的最终信道分配结果,通过凸函数差分规划方法,确定使得系统能量效率取最大值时的基站到用户的最优传输功率。
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Legal Events
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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GR01 | Patent grant | ||
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