基于能量有效异构网络资源分配的方法及系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及电子与通信技术领域，尤其设及基于能量有效异构网络资源分配的方 法及系统。
【背景技术】
[0002] 通信技术及其相关领域每年约消耗电量1500TWh，约占全世界总发电量的10%， 随着通信技术的进一步发展W及普及，此数据在近期会有快速增长。无线通信作为通信技 术的重要分支之一近年来发展迅速，其中LTE-A技术因其高速传输和多样化的服务而产生 了更多的能量消耗。
[0003] 为了减少对环境的破坏，能量效率成为了通信系统的设计和基站部署方面需要关 注的重要问题之一。为了减少由于建筑物等的阻挡而产生的阴影衰落的影响，LTE-A引入 了一系列的低功率节点组成异构网络，其中包括：微型基站、微微基站、家庭基站、中继节点 等。异构网络具有在提高频谱效率的同时，减少能量消耗等优势。
[0004] 然而，现有的文献中，还没有考虑在能量效率最大化情况下LTE-A网络中的功率 分配，中继选择和频率分配问题。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种基于能量有效异构网络资源分配 的方法。
[0006] 本发明提供了一种基于能量有效异构网络资源分配的方法，该方法包括基站、中 继、主机站，基站与用户通信通过一个或者多个中继，所有的计算工作均在主机站中进行， 中继被视为远端射频单元。
[0007] 作为本发明的进一步改进，该方法包括单中继选择、子频率块分配和功率分配的 优化步骤，在该优化步骤中，若频率资源块和中继选择策略已经确定，那么最优的功率分配 方案为
[0008] ,，化心紙五1(化巧眉，:4兴，V) 阳009] ；/，">0，片:;；含0 O
[0010] 作为本发明的进一步改进，该方法还包括单中继选择情况下的异构节点能量效率 的设计步骤，在该设计步骤中，在Ll(p，p"，A,y,V)对p和p"求一阶偏导，并设其为0， 那么最优的功率分配策略分别为：
[0011]
[0012]
[0014]
[0013] 作为本发明的进一步改进，该方法还包括多中继选择与资源分配的联合优化步 骤，在该联合优化步骤中，最化功率的表达式为：
[0015]
[0016] 本发明还提供了一种基于能量有效异构网络资源分配的系统，其特征在于，该系 统包括基站、中继、主机站，基站与用户通信通过一个或者多个中继，所有的计算工作均在 主机站中进行，中继被视为远端射频单元。
[0017] 作为本发明的进一步改进，该系统包括单中继选择、子频率块分配和功率分配的 优化模块，在该优化模块中，若频率资源块和中继选择策略已经确定，那么最优的功率分配 方案为
[0018] m敝。氧。￡1(贫，爲巧，A，/4F)
[0019]只4''。>0,J乂>0 。
[0020] 作为本发明的进一步改进，该系统还包括单中继选择情况下的异构节点能量效率 的设计模块，在该设计模块中，在Ll(p，p"，A，y，V)对p和p"求一阶偏导，并设其为0， 那么最优的功率分配策略分别为：
[0021]
[0022]
[0023] 作为本发明的进一步改进，该系统还包括多中继选择与资源分配的联合优化模 块，在该联合优化模块中，最化功率的表达式为：
[0024]
[00 巧]
[0026] 本发明的有益效果是：本发明的目的在于通过在认知无线电模型下将协作通信， 极化滤波W及协作干扰技术结合起来，实现基于用户协作动态频谱接入的物理层安全模 型，既能实现主用户信息的物理层安全性能提升，又在此基础上提上了主次级用户的吞吐 量从而提升了频谱利用率。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明的系统模型图。
[0028] 图2是本发明的能量效率随着中继数目的变化图。
[0029] 图3是本发明的能量效率随着中继的最大功率的变化图。
【具体实施方式】
[0030] 本发明公开了一种基于能量有效异构网络资源分配的方法及系统，如图1所示， 在此系统中，基站可W与用户通信通过一个或者多个中继，在此系统里的中继均采用LTE-A 系统中所定义的对用户不可见，而且不对信号产生干扰。主机站可W被看作为处理单元，即 所有的计算工作均在主机站中进行；中继节点可W被视为远端射频单元，如图1所示。在 LTE-A网络架构中，一个频率资源块由12个连续的长度为15曲Z的子载波组成。假设系统 中含有K个用户，M个中继节点，N个频率资源块。一个传输阶段被分为=个部分：第一个 部分为传输准备部分，在此过程中，主机站进行中继选择和传输前的资源分配等准备工作； 传输阶段也被分成两个部分，分别为基站向中继节点传输和中继节点向用户传输，=个阶 段的长度分别为T。、T/2和T/2。此系统中的中继策略我们采用放大转发，用户k通过中继 m的转发在资源块n上的信噪比为
[0031]
(1)
[0032] pk'"为基站分配给用于传输到用户k在资源块n上的功率，/4"为中继m为用户k 转发在资源块n上的传输功率。
分别为在频率资源块n上从 基站到中继m和从中继m到用户k的信干噪比。肖記,和诚品,分别为相应的信道参数，N。和W分别为噪声的功率谱密度和信道带宽。
[0033] 根据香农定理，用户k在资源块n上的频谱效率可W写为
[0034]
{ 2 )
[003引Pk,"G{0,U和am,kE{0,U分别表示用户k是否占用频率资源块n和中继节 点m的转发。对于主机站，其功率消耗包括两个部分，一个部分是传输发射功率，另一个部 分是除了发射W外的传输损耗。其中射频段的功率损耗与发射功率成正比，其余功率消耗 Pd包括数据处理模块，模数转换器等的能量消耗。PD可W表示为
[0036] &;巧+例(3) A=I M二I
[0037] 其中P历电路的固定能量损耗，0为与能量效率相关的能量损耗系数。总能量损 耗可W写为
[0038] 巧二Z'" + 戶。（4 ) k^iM-I
[0039] 其中C为放大器的能量效率系数。对于微型接入点，中继m为用户转发所消耗的 功率为
[0040] 冷,=之完化。巧,;,-托) 表=1巧=丄
[0041] 在此，设每个中继节点每为一个用户转发所消耗的功率为Pdu,那么所有中继节点 的能量消耗为
[0042] C二/-.(ix,+玄 (6) m~4 斯=1:左=1
[0043] 其中L代表中继节点的活跃程度，为此我们假设最大的活跃程度化=1)。那么， 整个系统总的能量消耗为
[0044]
( 7 )
[0045] 下面我们定义本文中的能量效率，即单位能量消耗下的频谱效率，即
[004引
巧X
[0047] 单中继选择情况下的异构节点能量效率的分析：
[0048] 在本节，我们建立了一个单中继选择、子频率块分配和功率分配的优化步骤（优 化问题）。我们的目标函数为能量效率的最大化，限制条件为QoS和最大传输能量。用户k 必须达到最小的QoS,化。基站的最大发射功率为P，中继m的最大发射功率为Pfm。在此场 景下，一个用户只能有一个中继节点为其转发。那么该优化问题可W写为
[0049] max/w, '。篮迟
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[0055] ((々批,./、Gi〇，U，艺4 =1，￥东 贿=1.
[0056] 因为目标函数（Pl)是非凸函数，其限制条件（Cl)非线性，找到优化问题的解的过 程会很复杂。结合能量效率的物理含义，能量效率最大化的问题可W转化为两个优化问题， 即，在消耗能量不变的情况下，频谱效率最大化；频谱效率不变的情况下，消耗能量最小化。 为此，我们将（Pl)转化为如下（P2)的多目标优化问题 化妨/''',妃''心'。.,,''襄￡而" 阳。57]丽卢槪旬"" (C! )-(c6)
[005引为了解决（P2)中的多目标优化问题。我们引入两个加权系数和CO2,（P2)即 可W转化为（P3):
[0059]麵峭'賊(。敏L"-鸣臣匪
[0060] "(护心片a'义片 1')=巧EEs*,,-曲禹+E吃A." -a)+户(户-EZ化y")+E1'。凡-SEA,扣 <-说' > A=I' ,1=1' n=l m=\-^--.1n--^\.
[0061] 其中A.公，K，,，Vw为限制条件的对偶系数，其中A.，VA'为QoS的对偶系数，y为 基站发射功率的对偶系数，为中继发射功率的对偶系数。那么，拉格朗日对偶问题可W写成 maxLK-化 a乂V) K
[0062] 占心:，."，，'')二^八,,￡{()'1|'艺八"'三1，皆" k~l E化H，i>w=1，皆爱 I'材
[0063] 那么（P3)对偶问题的优化可W写成
[0064] min、",V占〇g(入，y，V)
[0065] 由于一个用户只能由一个中继为其转发，那么其频谱效率也可W写为
[0066]
[0067] 若频率资源块和中继选择策略已经确定，那么最优的功率分配方案为
[0068] max" ,LI(a沪,.,"，乂，从V)
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[0070] 单中继选择情况下的异构节点能量效率的设计步骤：
[0071] 在Ll(P,Prm, ^，y，V