CN116321229A - 一种面向urllc系统节能传输的联合上下行资源分配方法 - Google Patents

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CN116321229A CN202310235184.9A CN202310235184A CN116321229A CN 116321229 A CN116321229 A CN 116321229A CN 202310235184 A CN202310235184 A CN 202310235184A CN 116321229 A CN116321229 A CN 116321229A
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朱鹏程
李康
王炎
尤肖虎
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Abstract

本发明公开了一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，包括以下步骤：建立基于跳频和丢包机制的URLLC数学模型；建立上下行总功耗优化问题的目标函数和约束条件；根据优化变量间的耦合关系，将上下行总功耗优化问题等价转换为新优化问题；采用联合上下行资源分配优化算法求解新优化问题。本发明建立了一种新的URLLC传输方案，并提出了一种最优的资源分配方法使该传输方案下的系统总功率降低到最小值，与其他现有方案相比，能够有效降低系统总功率、提升能量效率。

Description

一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术领域，具体涉及一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法。
背景技术
超可靠低时延通信(ultra-reliable and low-latency communications,URLLC)首次在第五代移动通信系统中提出，为实现自动驾驶汽车、移动机器人、虚拟/增强现实和智能工厂等具有严格服务质量条件的应用提供重要支撑。随着通信系统节能需求的不断增长，对于URLLC以及未来网络中能量效率的研究备受关注。然而，由于无线信道动态变化，无线通信系统中保证服务质量条件所需要的发射功率会变得非常高，因而在实际系统中难以满足。
URLLC以短报文方式传输，当信道处于深度衰落时，即使为URLLC分配足够的资源，实际中由于最大发射功率限制，在其规定延时界内的可靠性要求仍难以满足。当前，混合式自动重传请求、分集传输、主动丢包等方案，无法较好地匹配URLLC传输特征，将其应用于URLLC较为受限，故难以改善信道因素影响下URLLC的服务质量条件。因此，在满足URLLC服务质量条件下，面向节能目标的新传输方案亟待提出。
发明内容
本发明的目的是提供一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，以有效降低系统功耗、提升能量效率。
为达到此目的，本发明采用以下技术方案：
一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，包括以下步骤：
S1.建立基于跳频和丢包机制的URLLC数学模型；
S2.建立上下行总功耗优化问题的目标函数和约束条件；
S3.根据优化变量间的耦合关系，将上下行总功耗优化问题等价转换为新优化问题；
S4.采用联合上下行资源分配优化算法求解新优化问题。
进一步地，所述S1中具体包括以下子步骤：
S11.配置一个通信距离小于几公里的URLLC区域蜂窝通信系统，该蜂窝网络由一个或几个以光纤互相连接的基站组成，其中每个基站配备Nt根天线；网络覆盖区域内存在M+K个单天线设备，从功能性质上被分为两类：只上传数据包的传感器，只下载由传感器上传数据包的用户；当传感器与目标用户不由同一个基站服务时，传感器上传的数据包将历经以下过程：首先通过光纤链路转发到与目标用户相连的基站，然后在与目标用户相关联的队列中进行等待，最后由该基站发送给目标用户；该通信系统以频分双工方式工作，系统带宽被划分为上行带宽和下行带宽；另外，系统采用正交频分多址和频率复用技术，以避免小区内和小区间的强干扰；
S12.建立信道模型；信道处于准静态频率平坦衰落，描述该信道的基本参数有：信道相干带宽Wc、信道相干时间Tc，信道单边噪声功率谱密度N0，信噪比损失系数φ，大尺度信道增益α，小尺度信道增益g；其中，α为关于距离的对数正态分布，g为关于天线数量的卡方分布；定义Wmax为系统总带宽，Dmax为系统端到端延时界，B为传输带宽，τ为传输时长，Tf为传输时间间隔，P为发射功率；由于B＜Wc＜Wmax和τ＜Tf＜Dmax＜Tc，故设备以某带宽传输时其小尺度信道增益在Dmax内保持恒定；当设备以中低速率运动时，Dmax内大尺度信道增益保持相对不变，故发射功率P根据小尺度信道增益进行适时调试；
S13.建立数据传输模型；上行过程中，每个传感器传输一个长度为L比特的数据包，定义
Figure BDA0004121828730000029
为激活传感器集合，Na为跳频子信道数量，第m个传感器经第n个子信道到基站的速率为/>
Figure BDA0004121828730000021
表示为
Figure BDA0004121828730000022
其中，
Figure BDA0004121828730000023
为第m个传感器分配的传输带宽、/>
Figure BDA0004121828730000024
为第m个传感器与基站间的大尺度信道增益；由于各子信道间距大于相干带宽，因此小尺度信道增益在各子信道中互相独立(用/>
Figure BDA0004121828730000025
表示)，引起第m个传感器在各子信道中的发射功率随之变化(用/>
Figure BDA0004121828730000026
表示)，导致第m个传感器经各个子信道到基站的译码误差概率也不同(用/>
Figure BDA0004121828730000027
表示)；为了使/>
Figure BDA0004121828730000028
小于URLLC规定的上行译码误差概率要求(即εc，u)，接收信噪比需不小于某个数值，该阈值表示为
Figure BDA0004121828730000031
下行过程中，各传感器的上传数据在与目标用户关联的基站队列中排队等待被发送，定义
Figure BDA0004121828730000032
为用户集合，由基站到第k个用户的速率为/>
Figure BDA0004121828730000033
表示为
Figure BDA0004121828730000034
其中，
Figure BDA0004121828730000035
为第k个用户分配的传输带宽和发送功率，/>
Figure BDA0004121828730000036
为基站与第k个用户间的大尺度信道增益，/>
Figure BDA0004121828730000037
为由基站到第k个用户的译码误差概率；定义/>
Figure BDA0004121828730000038
为目标是第k个用户的激活传感器集合/>
Figure BDA0004121828730000039
为目标用户k的数据包到达基站速率；由于队列采用“先来先服务”的规则，轮到处于队列末尾的数据包被服务时，很可能已经超过了URLLC规定的延时界条件，导致数据包失效被丢弃，该情况称作“违背排队时延”；此时，需要尽力提高队列的服务速率，以减少违背排队时延的情况；URLLC规定的违背排队时延概率要求为εq，其对应的最小服务速率表示为
Figure BDA00041218287300000310
同样地，为了使
Figure BDA00041218287300000311
小于URLLC规定的下行译码误差概率要求(即εc，d)，接收信噪比需不小于某个数值，该阈值表示为
Figure BDA00041218287300000312
S14.建立功率控制模型；上行过程中，定义
Figure BDA00041218287300000313
为每个传感器的发射功率阈值，仅在信道处于非深度衰落时数据包才进行发送，意味着此时接收信噪比/>
Figure BDA00041218287300000314
不小于/>
Figure BDA00041218287300000315
当遇到接下来连续几个传输间隔内的子信道都足够好时，为了节省能量，只允许每个传感器在其信道第一次处于非深度衰落进行发送；该上行功率控制策略表示为
Figure BDA0004121828730000041
其中，
Figure BDA0004121828730000042
表示为
Figure BDA0004121828730000043
按照上行功率控制策略，当所有跳频子信道都处于深度衰落时，传感器不发射功率，故该数据包会被丢弃，该丢弃概率表示为
Figure BDA0004121828730000044
计算每个传感器的平均发射功率
Figure BDA0004121828730000045
为
Figure BDA0004121828730000046
则每个传感器的平均功耗为
Figure BDA0004121828730000047
其中，ρu为功率放大系数、Pc，u为传感器电路功率；下行过程中，定义
Figure BDA0004121828730000048
为基站对每个用户的发射功率阈值，对于目标用户k的所有数据包，无论信道处于何种条件，基站都需要将其队列中的数据包进行发送；当信道处于深度衰落时，发射功率为阈值/>
Figure BDA0004121828730000049
当信道处于非深度衰落时，发射功率根据小尺度信道增益适时调整；该下行功率控制策略表示为
Figure BDA00041218287300000410
其中，
Figure BDA00041218287300000411
表示为
Figure BDA0004121828730000051
按照下行功率控制策略，当信道处于深度衰落时，发射功率无法超过
Figure BDA0004121828730000052
故部分数据包需要被丢弃以保障系统所需的可靠性，该丢弃概率表示为
Figure BDA0004121828730000053
计算基站对每个用户的平均发射功率
Figure BDA0004121828730000054
为
Figure BDA0004121828730000055
则基站的平均功耗为
Figure BDA0004121828730000056
其中，
Figure BDA0004121828730000057
为队列非空概率、ρd为功率放大系数、Pc，nt为每根天线功率、Pc，na为跳频配置功率；此时，系统总功耗Ptot为
Figure BDA0004121828730000058
一般设置权重系数ωu＝1和ωd＝1，在该设置下的系统总功耗上界
Figure BDA0004121828730000059
为
Figure BDA00041218287300000510
进一步地，所述S2中总功耗优化问题为
Figure BDA0004121828730000061
s.t.C1：
Figure BDA0004121828730000062
C2：
Figure BDA0004121828730000063
C3：
Figure BDA0004121828730000064
C4：εc，u＝εp，u＝εc，d＝εp，d＝εq＝εmax/5，
C5：
Figure BDA0004121828730000065
C6：
Figure BDA0004121828730000066
C7：
Figure BDA0004121828730000067
C8：
Figure BDA0004121828730000068
C9：
Figure BDA0004121828730000069
Figure BDA00041218287300000610
Figure BDA00041218287300000611
其中
Figure BDA00041218287300000612
是传感器最大发射功率，/>
Figure BDA00041218287300000613
是基站最大发射功率，
Figure BDA00041218287300000614
是子信道最大数量，C1是系统总带宽约束，C2和C3分别是上行和下行最大发射功率约束，C4是URLLC可靠性条件约束，C5是URLLC端到端延时条件约束，C6和C7保障了上行译码误差概率、下行译码误差概率和违背排队时延概率，C8和C9保障了上行丢包概率和下行丢包概率。
进一步地，所述S3中具体包括以下子步骤：
S31.减少优化变量；系统总功耗
Figure BDA00041218287300000615
取决于上行和下行过程中分配给每个传感器和用户的传输带宽，基站的天线数量，以及上行过程中的丢包概率和子信道分配数量；虽然上下行过程中的发射功率阈值不影响/>
Figure BDA00041218287300000616
但影响着传输带宽、子信道分配数量和天线数量的相应取值，继而影响系统总功耗；根据等式/>
Figure BDA00041218287300000617
和
Figure BDA00041218287300000618
上下行过程中的发射功率阈值可以由其他优化变量表示；
S32.等价转换优化问题；新的优化问题表示为
Figure BDA0004121828730000071
Figure BDA0004121828730000072
Figure BDA0004121828730000073
Figure BDA0004121828730000074
εc，u＝εp，u＝εc，d＝εp，d＝εq＝εmax/5，
Figure BDA0004121828730000075
Figure BDA0004121828730000076
其中，
Figure BDA0004121828730000077
定义为
Figure BDA0004121828730000078
定义为
Figure BDA0004121828730000079
进一步地，所述S4中具体包括以下子步骤：
S41.利用二分法，寻找使新优化问题具有可行解所需的最小天线数量
Figure BDA00041218287300000710
寻找子信道数量Na下使新优化问题具有被动约束时所需的天线数量/>
Figure BDA00041218287300000711
S42.给出天线数量Nt和子信道数量Na,计算指定可靠性条件εmax下的
Figure BDA00041218287300000712
和/>
Figure BDA00041218287300000713
由于εmax要求对每个数据包的可靠性都成立，因此设置/>
Figure BDA00041218287300000714
和/>
Figure BDA00041218287300000715
S43.利用凸优化算法，寻找上下行传输带宽的解；由于目标函数是关于传输带宽的凸函数且保留了非负加权特性，因此分配给各传感器和各用户的传输带宽是唯一解；
S44.固定子信道数量Na，计算天线数量和及其对应的上下行传输带宽的解；若
Figure BDA00041218287300000716
遍历该范围内的天线数量取值，并计算各取值对应的上下行传输带宽；若/>
Figure BDA00041218287300000717
利用目标函数关于天线数量的凸性质，计算天线数量的唯一解及其对应的上下行传输带宽；
S45.遍历
Figure BDA00041218287300000718
范围内的子信道数量取值，计算并比较各取值对应的天线数量取值、上下行传输带宽的解，最小的总功耗上界对应的子信道数量取值、天线数量取值以及上下行传输带宽，即为最优资源分配方案。
有益效果：本发明通过引入跳频和丢包机制，建立了一种新的传输方案，以避免信道动态变化因素导致保障URLLC在规定延时界内的可靠性要求时，所需发射功率过大的问题，并提出了一种最优的资源分配方法使该传输方案下的系统总功率降低到最小值。本发明提供的传输方案与其他现有方案相比，能够有效降低系统总功率、提升能量效率。
附图说明
图1为本发明具体实施方式的流程图；
图2为本发明具体实施方式的URLLC蜂窝通信系统示意图；
图3为本发明具体实施方式的所提传输方案与其他现有方案随传感器数量在能量效率方面的对比图；
图4为本发明具体实施方式的所提传输方案与其他现有方案随用户数量在能量效率方面的对比图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
考虑如图1所示的URLLC区域蜂窝通信场景，其中URLLC以短报文方式传输，其传输带宽一般不超过信道相干带宽、传输时间不超过信道相干时间。为保障URLLC在规定延时界内的可靠性要求，采用上行跳频和下行丢包结合的方式完成端到端传输，以降低传输过程的中断概率和所需带宽，支持更多用户同时参与传输。
本发明提供的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其流程如图2所示，包括如下步骤：
S1.建立基于跳频和丢包机制的URLLC数学模型；
S2.建立上下行总功耗优化问题的目标函数和约束条件；
S3.根据优化变量间的耦合关系，将上下行总功耗优化问题等价转换为新优化问题；
S4.采用联合上下行资源分配优化算法求解新优化问题。
进一步地，所述S1中具体包括以下子步骤：
S11.配置一个通信距离小于几公里的URLLC区域蜂窝通信系统，该蜂窝网络由一个或几个以光纤互相连接的基站组成，其中每个基站配备Nt根天线；网络覆盖区域内存在M+K个单天线设备，从功能性质上被分为两类：只上传数据包的传感器，只下载由传感器上传数据包的用户；当传感器与目标用户不由同一个基站服务时，传感器上传的数据包将历经以下过程：首先通过光纤链路转发到与目标用户相连的基站，然后在与目标用户相关联的队列中进行等待，最后由该基站发送给目标用户；该通信系统以频分双工方式工作，系统带宽被划分为上行带宽和下行带宽；另外，系统采用正交频分多址和频率复用技术，以避免小区内和小区间的强干扰；
S12.建立信道模型；信道处于准静态频率平坦衰落，描述该信道的基本参数有：信道相干带宽Wc、信道相干时间Tc，信道单边噪声功率谱密度N0，信噪比损失系数φ，大尺度信道增益α，小尺度信道增益g；其中，α为关于距离的对数正态分布，g为关于天线数量的卡方分布；定义Wmax为系统总带宽，Dmax为系统端到端延时界，B为传输带宽，τ为传输时长，Tf为传输时间间隔，P为发射功率；由于B＜Wc＜Wmax和τ＜Tf＜Dmax＜Tc，故设备以某带宽传输时其小尺度信道增益在Dmax内保持恒定；当设备以中低速率运动时，Dmax内大尺度信道增益保持相对不变，故发射功率P根据小尺度信道增益进行适时调试；
S13.建立数据传输模型；上行过程中，每个传感器传输一个长度为L比特的数据包，定义
Figure BDA0004121828730000091
为激活传感器集合，Na为跳频子信道数量，第m个传感器经第n个子信道到基站的速率为/>
Figure BDA0004121828730000092
表示为
Figure BDA00041218287300000912
其中，
Figure BDA0004121828730000093
为第m个传感器分配的传输带宽、/>
Figure BDA0004121828730000094
为第m个传感器与基站间的大尺度信道增益；由于各子信道间距大于相干带宽，因此小尺度信道增益在各子信道中互相独立(用/>
Figure BDA0004121828730000095
表示)，引起第m个传感器在各子信道中的发射功率随之变化(用/>
Figure BDA0004121828730000096
表示)，导致第m个传感器经各个子信道到基站的译码误差概率也不同(用/>
Figure BDA0004121828730000097
表示)；为了使/>
Figure BDA0004121828730000098
小于URLLC规定的上行译码误差概率要求(即εc，u)，接收信噪比需不小于某个数值，该阈值表示为
Figure BDA0004121828730000099
下行过程中，各传感器的上传数据在与目标用户关联的基站队列中排队等待被发送，定义
Figure BDA00041218287300000910
为用户集合，由基站到第k个用户的速率为/>
Figure BDA00041218287300000911
表示为
Figure BDA0004121828730000101
其中，
Figure BDA0004121828730000102
为第k个用户分配的传输带宽和发送功率，/>
Figure BDA0004121828730000103
为基站与第k个用户间的大尺度信道增益，/>
Figure BDA0004121828730000104
为由基站到第k个用户的译码误差概率；定义/>
Figure BDA0004121828730000105
为目标是第k个用户的激活传感器集合/>
Figure BDA0004121828730000106
为目标用户k的数据包到达基站速率；由于队列采用“先来先服务”的规则，轮到处于队列末尾的数据包被服务时，很可能已经超过了URLLC规定的延时界条件，导致数据包失效被丢弃，该情况称作“违背排队时延”；此时，需要尽力提高队列的服务速率，以减少违背排队时延的情况；URLLC规定的违背排队时延概率要求为εq，其对应的最小服务速率表示为
Figure BDA0004121828730000107
同样地，为了使
Figure BDA0004121828730000108
小于URLLC规定的下行译码误差概率要求(即εc，d)，接收信噪比需不小于某个数值，该阈值表示为
Figure BDA0004121828730000109
S14.建立功率控制模型；上行过程中，定义
Figure BDA00041218287300001010
为每个传感器的发射功率阈值，仅在信道处于非深度衰落时数据包才进行发送，意味着此时接收信噪比/>
Figure BDA00041218287300001011
不小于/>
Figure BDA00041218287300001012
当遇到接下来连续几个传输间隔内的子信道都足够好时，为了节省能量，只允许每个传感器在其信道第一次处于非深度衰落进行发送；该上行功率控制策略表示为
Figure BDA00041218287300001013
其中，
Figure BDA00041218287300001014
表示为
Figure BDA00041218287300001015
按照上行功率控制策略，当所有跳频子信道都处于深度衰落时，传感器不发射功率，故该数据包会被丢弃，该丢弃概率表示为
Figure BDA0004121828730000111
计算每个传感器的平均发射功率
Figure BDA0004121828730000112
为
Figure BDA0004121828730000113
则每个传感器的平均功耗为
Figure BDA0004121828730000114
其中，ρu为功率放大系数、Pc，u为传感器电路功率；下行过程中，定义
Figure BDA0004121828730000115
为基站对每个用户的发射功率阈值，对于目标用户k的所有数据包，无论信道处于何种条件，基站都需要将其队列中的数据包进行发送；当信道处于深度衰落时，发射功率为阈值/>
Figure BDA0004121828730000116
当信道处于非深度衰落时，发射功率根据小尺度信道增益适时调整；该下行功率控制策略表示为
Figure BDA0004121828730000117
其中，
Figure BDA0004121828730000118
表示为
Figure BDA0004121828730000119
按照下行功率控制策略，当信道处于深度衰落时，发射功率无法超过
Figure BDA00041218287300001110
故部分数据包需要被丢弃以保障系统所需的可靠性，该丢弃概率表示为
Figure BDA00041218287300001111
计算基站对每个用户的平均发射功率
Figure BDA00041218287300001112
为
Figure BDA0004121828730000121
则基站的平均功耗为
Figure BDA0004121828730000122
其中，
Figure BDA0004121828730000123
为队列非空概率、ρd为功率放大系数、Pc，nt为每根天线功率、Pc，na为跳频配置功率；此时，系统总功耗Ptot为
Figure BDA0004121828730000124
一般设置权重系数ωu＝1和ωd＝1，在该设置下的系统总功耗上界
Figure BDA0004121828730000125
为
Figure BDA0004121828730000126
进一步地，所述S2中总功耗优化问题为
Figure BDA0004121828730000131
s.t.C1：
Figure BDA0004121828730000132
C2：
Figure BDA0004121828730000133
C3：
Figure BDA0004121828730000134
CC4：εc，u＝εp，u＝εc，d＝εq＝εmax/5，
C5：
Figure BDA0004121828730000135
C6：
Figure BDA0004121828730000136
C7：
Figure BDA0004121828730000137
C8：
Figure BDA0004121828730000138
C9：
Figure BDA0004121828730000139
Figure BDA00041218287300001310
Figure BDA00041218287300001311
其中
Figure BDA00041218287300001312
是传感器最大发射功率，/>
Figure BDA00041218287300001313
是基站最大发射功率，
Figure BDA00041218287300001314
是子信道最大数量，C1是系统总带宽约束，C2和C3分别是上行和下行最大发射功率约束，C4是URLLC可靠性条件约束，C5是URLLC端到端延时条件约束，C6和C7保障了上行译码误差概率、下行译码误差概率和违背排队时延概率，C8和C9保障了上行丢包概率和下行丢包概率。
进一步地，所述S3中具体包括以下子步骤：
S31.减少优化变量；系统总功耗
Figure BDA00041218287300001315
取决于上行和下行过程中分配给每个传感器和用户的传输带宽，基站的天线数量，以及上行过程中的丢包概率和子信道分配数量；虽然上下行过程中的发射功率阈值不影响/>
Figure BDA00041218287300001316
但影响着传输带宽、子信道分配数量和天线数量的相应取值，继而影响系统总功耗；根据等式/>
Figure BDA00041218287300001317
和
Figure BDA00041218287300001318
上下行过程中的发射功率阈值可以由其他优化变量表示；
S32.等价转换优化问题；新的优化问题表示为
Figure BDA0004121828730000141
Figure BDA0004121828730000142
Figure BDA0004121828730000143
/>
Figure BDA0004121828730000144
εc，u＝εp，u＝εc，d＝εp，d＝εq＝εmax/5，
Figure BDA0004121828730000145
Figure BDA0004121828730000146
其中，
Figure BDA0004121828730000147
定义为/>
Figure BDA0004121828730000148
Figure BDA0004121828730000149
定义为/>
Figure BDA00041218287300001410
进一步地，所述S4中具体包括以下子步骤：
S41.利用二分法，寻找使新优化问题具有可行解所需的最小天线数量
Figure BDA00041218287300001411
寻找子信道数量Na下使新优化问题具有被动约束时所需的天线数量/>
Figure BDA00041218287300001412
S42.给出天线数量Nt和子信道数量Na，计算指定可靠性条件εmax下的
Figure BDA00041218287300001413
和/>
Figure BDA00041218287300001414
由于εmax要求对每个数据包的可靠性都成立，因此设置/>
Figure BDA00041218287300001415
和/>
Figure BDA00041218287300001416
S43.利用凸优化算法，寻找上下行传输带宽的解；由于目标函数是关于传输带宽的凸函数且保留了非负加权特性，因此分配给各传感器和各用户的传输带宽是唯一解；
S44.固定子信道数量Na，计算天线数量和及其对应的上下行传输带宽的解；若
Figure BDA00041218287300001417
遍历该范围内的天线数量取值，并计算各取值对应的上下行传输带宽；若/>
Figure BDA00041218287300001418
利用目标函数关于天线数量的凸性质，计算天线数量的唯一解及其对应的上下行传输带宽；
S45.遍历
Figure BDA00041218287300001419
范围内的子信道数量取值，计算并比较各取值对应的天线数量取值、上下行传输带宽的解，最小的总功耗上界对应的子信道数量取值、天线数量取值以及上下行传输带宽，即为最优资源分配方案。
本发明提供的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其有益效果如图3和图4所示。
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 (5)

1.一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其特征在于，包括以下步骤：
S 1.建立基于跳频和丢包机制的URLLC数学模型；
S2.建立上下行总功耗优化问题的目标函数和约束条件；
S3.根据优化变量间的耦合关系，将上下行总功耗优化问题等价转换为新优化问题；
S4.采用联合上下行资源分配优化算法求解新优化问题。
2.根据权利要求1所述的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其特征在于，所述S1中具体包括以下子步骤：
S11.配置一个通信距离小于几公里的URLLC区域蜂窝通信系统，该蜂窝网络由一个或几个以光纤互相连接的基站组成，其中每个基站配备Nt根天线；网络覆盖区域内存在M+K个单天线设备，从功能性质上被分为两类：只上传数据包的传感器，只下载由传感器上传数据包的用户；当传感器与目标用户不由同一个基站服务时，传感器上传的数据包将历经以下过程：首先通过光纤链路转发到与目标用户相连的基站，然后在与目标用户相关联的队列中进行等待，最后由该基站发送给目标用户；该通信系统以频分双工方式工作，系统带宽被划分为上行带宽和下行带宽；另外，系统采用正交频分多址和频率复用技术，以避免小区内和小区间的强干扰；
S12.建立信道模型；信道处于准静态频率平坦衰落，描述该信道的基本参数有：信道相干带宽Wc、信道相干时间Tc，信道单边噪声功率谱密度N0，信噪比损失系数φ，大尺度信道增益α，小尺度信道增益g；其中，α为关于距离的对数正态分布，g为关于天线数量的卡方分布；定义Wmax为系统总带宽，Dmax为系统端到端延时界，B为传输带宽，τ为传输时长，Tf为传输时间间隔，P为发射功率；由于B＜Wc＜Wmax和τ＜Tf＜Dmax＜Tc，故设备以某带宽传输时其小尺度信道增益在Dmax内保持恒定；当设备以中低速率运动时，Dmax内大尺度信道增益保持相对不变，故发射功率P根据小尺度信道增益进行适时调试；
S13.建立数据传输模型；上行跳频机制中，若当前帧所分配的子信道处于深度衰落，传感器将退出当前帧的传输，然后在后续帧所分配的子信道中按照跳频图案在另一个子信道上传输数据；若该后续帧所分配的子信道仍处于深度衰落，则继续在下一帧所分配的子信道上传输；若所有跳频子信道都处于深度衰落，该数据包会被丢弃；下行丢包机制中，基站队列的服务规则为先来先服务，服务速率达到有效带宽速率；若信道处于深度衰落，队列将丢弃部分数据包后再发送给目标用户；若信道处于非深度衰落，队列可将全部数据直接发送给目标用户；
S14.建立功率控制模型；上行过程中，定义
Figure FDA0004121828710000021
为达到URLLC规定的上行译码误差概率εc，u时的信噪比阈值，/>
Figure FDA0004121828710000022
为每个传感器的发射功率阈值，/>
Figure FDA0004121828710000023
为每个传感器的小尺度信道增益阈值；当信道处于深度衰落时，传感器不发射功率；当信道处于非深度衰落时，传感器以不超过/>
Figure FDA0004121828710000024
的功率进行发送；若遇到接下来连续几个传输间隔内的子信道都足够好时，为了节省能量，只允许每个传感器在其信道第一次处于非深度衰落进行发送；下行过程中，定义/>
Figure FDA0004121828710000025
为达到URLLC规定的下行译码误差概率εd，u时的信噪比阈值，/>
Figure FDA0004121828710000026
为基站对每个用户的发射功率阈值，/>
Figure FDA0004121828710000027
为基站到各用户的小尺度信道增益阈值；对于目标用户的所有数据包，无论信道处于何种条件，基站都需要将其队列中的数据包进行发送；当信道处于深度衰落时，部分数据包需要被丢弃以保障系统所需的可靠性，并以功率为阈值/>
Figure FDA0004121828710000028
进行发送；当信道处于非深度衰落时，发射功率根据小尺度信道增益适时调整。
3.根据权利要求2所述的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其特征在于：所述S2中总功耗优化问题为
Figure FDA0004121828710000031
Figure FDA0004121828710000032
Figure FDA0004121828710000033
Figure FDA0004121828710000034
C4：εc，u＝εp，u＝εc，d＝εp，d＝εq＝εmax/5，
Figure FDA0004121828710000035
Figure FDA0004121828710000036
Figure FDA0004121828710000037
Figure FDA0004121828710000038
Figure FDA0004121828710000039
Figure FDA00041218287100000310
Figure FDA00041218287100000311
其中，
Figure FDA00041218287100000312
Figure FDA00041218287100000313
为第m个传感器分配的传输带宽，/>
Figure FDA00041218287100000314
为第k个用户分配的传输带宽，/>
Figure FDA00041218287100000315
为激活传感器集合，εp，u是上行丢弃概率，εd，u是下行丢弃概率，εq是排队延迟概率，ρu是上行功率放大系数，ρd是下行功率放大系数，ξk是队列非空概率，Pc，u是传感器电路功率，pc，nt是单根天线功率，Pc，na是跳频配置功率，/>
Figure FDA00041218287100000316
是传感器最大发射功率，/>
Figure FDA00041218287100000317
是基站最大发射功率，
Figure FDA00041218287100000318
是子信道最大数量，C1是系统总带宽约束，C2和C3分别是上行和下行最大发射功率约束，C4是URLLC可靠性条件约束，C5是URLLC端到端延时条件约束，C6和C7保障了上行译码误差概率、下行译码误差概率和违背排队时延概率，C8和C9保障了上行丢包概率和下行丢包概率。
4.根据权利要求3所述的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其特征在于，所述S3中具体包括以下子步骤：
S31.减少优化变量；系统总功耗
Figure FDA0004121828710000041
取决于上行和下行过程中分配给每个传感器和用户的传输带宽，基站的天线数量，以及上行过程中的丢包概率和子信道分配数量；虽然上下行过程中的发射功率阈值不影响/>
Figure FDA0004121828710000042
但影响着传输带宽、子信道分配数量和天线数量的相应取值，继而影响系统总功耗；根据等式/>
Figure FDA0004121828710000043
和
Figure FDA0004121828710000044
N0为信道单边噪声功率谱密度，φ为信噪比损失系数，/>
Figure FDA0004121828710000045
为第m个传感器分配的传输带宽、/>
Figure FDA0004121828710000046
为第m个传感器与基站间的大尺度信道增益，/>
Figure FDA0004121828710000047
为基站与第k个用户间的大尺度信道增益，上下行过程中的发射功率阈值由其他优化变量表示；
S32.等价转换优化问题；新的优化问题表示为
Figure FDA0004121828710000048
Figure FDA0004121828710000049
Figure FDA00041218287100000410
Figure FDA00041218287100000411
εc，u＝εp，u＝εc，d＝εp，d＝εq＝εmax/5，
Figure FDA00041218287100000412
Figure FDA00041218287100000413
其中，
Figure FDA00041218287100000414
定义为/>
Figure FDA00041218287100000415
定义为/>
Figure FDA00041218287100000416
5.根据权利要求4所述的一种面向URLLC系统节能传输的联合上下行资源分配方法，其特征在于，所述S4中具体包括以下子步骤：
S41.利用二分法，寻找使新优化问题具有可行解所需的最小天线数量
Figure FDA00041218287100000417
寻找子信道数量Na下使新优化问题具有被动约束时所需的天线数量/>
Figure FDA0004121828710000051
S42.给出天线数量Nt和子信道数量Na，计算指定可靠性条件εmax下的
Figure FDA0004121828710000052
和/>
Figure FDA0004121828710000053
由于εmax要求对每个数据包的可靠性都成立，因此设置/>
Figure FDA0004121828710000054
和/>
Figure FDA0004121828710000055
S43.利用凸优化算法，寻找上下行传输带宽的解；由于目标函数是关于传输带宽的凸函数且保留了非负加权特性，因此分配给各传感器和各用户的传输带宽是唯一解；
S44.固定子信道数量Na，计算天线数量和及其对应的上下行传输带宽的解；若
Figure FDA0004121828710000056
遍历该范围内的天线数量取值，并计算各取值对应的上下行传输带宽；若/>
Figure FDA0004121828710000057
利用目标函数关于天线数量的凸性质，计算天线数量的唯一解及其对应的上下行传输带宽；
S45.遍历
Figure FDA0004121828710000058
范围内的子信道数量取值，计算并比较各取值对应的天线数量取值、上下行传输带宽的解，最小的总功耗上界对应的子信道数量取值、天线数量取值以及上下行传输带宽，即为最优资源分配方案。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN117320136A (zh) * 2023-11-24 2023-12-29 四川恒湾科技有限公司 一种无线通信基站中射频单元节能控制方法及系统
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