一种异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法
【专利摘要】本发明公开了一种OFDMA两层异构网络系统中基于能效公平的资源分配和功率控制方法。在给定跨层干扰约束限制的条件下，该发明致力于求解飞蜂窝网络系统能效公平的资源块分配和功率控制策略。对于这样一个非凸并混合了整形变量的多目标分式优化问题，该发明依据分式规划理论进行转换并采用广义丁克尔巴赫算法(Generalized Dinkelbach’s Algorithm,GDA)进行求解。特别的，对于GDA算法中的子问题，该发明设计了一种飞蜂窝间信息交互有限的分布式算法并最终获得了最优的资源分配与功率控制策略。通过计算机仿真验证，该发明方法可以有效提高网络系统的最低能效以及公平性。
【专利说明】
一种异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法
技术领域
[0001] 本发明涉及无线异构网络通信技术领域，涉及一种网络能效公平的资源块分配和 功率控制方法，设计了一种飞蜂窝间协作有限的分布式策略更新算法。
【背景技术】
[0002] 5G移动无线通信系统的出现是为了克服当前通信系统所出现的基础性问题:更高 的数据传输速率、更广的覆盖范围、更低的能量损耗以及更好的端对端性能。为了有效地面 对这些挑战，学术界与工业界提出了未来5G通信系统采用异构网络构架体系。该构架体系 包含宏小区网络、密集部署的微小区、终端直通、协作中继网络等。随着当前网络流量的快 速增长以及网络构架体系的急剧扩张，无线网络的能量消耗急剧增长，针对无线网络传输 的能量有效设计迫在眉睫。
[0003] 无线网络的能效定义为网络系统的吞吐量与总功率损耗(发射功率，电路处理功 率等)之比。对于这样一个非凸的分式目标函数优化问题，丁克尔巴赫算法是一个较好的处 理办法。该算法将分式目标函数转化为整式目标函数，并以超线性的收敛速率完成算法的 迭代过程。对于异构网络构架下的网络能效问题，丁克尔巴赫算法同样能委以重任。
[0004] 目前，无线网络传输的能量有效设计方法通常是最大化网络系统的全局能效，即 最大化网络系统的总的吞吐量与总的功率损耗之比。该系统指标虽然能够较好地刻画网络 系统的全局能量效率，但是该系统指标并不能有效地刻画单个小区的能量效率，容易导致 网络中一些小区的能效极高而一些小区的能效极低，造成整个网络能效的不均衡，影响一 些小区用户的服务质量。因此，设计网络能效公平的资源分配方法很有必要。
【发明内容】
[0005] 发明目的：本发明目的在于设计一种在跨层干扰约束条件下，飞蜂窝间协作有限 的分布式算法，该算法通过迭代更新资源块分配和功率控制策略以提高网络系统能效的公 平性。
[0006] 技术方案:为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：
[0007] -种异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，采用GDA算法优化网 络系统的能效，首先初始化误差精度e，迭代次数1和能量效率A 1:然后进行⑶A算法的迭代 运算，每次迭代在给定的约束条件下求解子问是
，计算本轮迭代的 最小目标值函数彳]
及下轮迭代的最小能量效_
直到最小目标函数值小于预先设定的误差精度e;其中C(1)为第i个飞蜂窝的吞吐量，if为 第i个飞蜂窝总的功率消耗，M为异构网络中飞蜂窝的数量，P、A分别表示整个飞蜂窝网络的 功率分配以及资源分配策略。
[0008] 进一步地，所述约束条件包括：
分别表示第i个飞蜂窝中用户η占用第k个资 源块进行传输的指示因子以及传输功率，K为异构网络中可用资源块的数量，Pmax，Q分别表 示单个资源块上的最大发射功率以及宏小区用户可以承受的最大干扰,N1表示第i个飞蜂 窝中用户的数量，Af u表示第i个飞蜂窝到宏小区中占用第k个资源块的用户的信道功率增 益。
[0009] 进一步地，飞蜂窝的吞吐量及总的功率消耗的计算公式分别为：
[0010]
[0011] ￡第k个资 源块上的接收信干噪比；其中，Bo是单个资源块的带宽，i盟分别是第i个飞蜂窝的基 站所需要的电路功率以及回程链路功率损耗是飞蜂窝基站功率放大器的低效性， 分别是第j个飞蜂窝的基站以及宏小区基站占用第k个资源块到第i个飞蜂窝中 用户η的信道功率增益，是第i个飞蜂窝内基站占用第k个资源块到用户η的信道功率增 益，是宏小区基站在第k个资源块上的发送功率，σ 2是用户接收端的高斯白噪声功率。
[0012] 进一步地，求解GDA算法子问题的具体步骤包括：
[0013] (1)各飞蜂窝基站i(FBS)计算各自目标函数值= ，并收集来自其它 FBS的目标函数值，根据目标函数值计算目标距离，并将目标距离和能效广播；
[0014]
[0015]
[0016] (2)各FBS计算本轮循环下的最优功率分配策略，并根据最优功率分配策略得到资 源分配策略；
[0017] 作为优选，各FBS根据如下公式计算功率分配策略：
[0018]
[0019] 其
指的是第i个飞蜂窝内用户η占用第k 个资源块所受到的干扰及噪声，ρ??表示第i个飞蜂窝内用户η占用第k个资源块的最优功率 分配，Pk是限制条件C3的拉格朗日乘子。
[0020] 作为优选，各FBS根据如下公式计算资源块分配策略：
[0021]
[0022]
示第i个飞蜂窝中资源块分配优化问题的目标函数。。
[0023] (3)各FBS根据功率与资源分配策略计算最优的目标函数值并与目标距离相比较， 若目标函数值小于目标距离，则获得本轮循环下的最优功率控制与资源块分配策略；否则 固定资源块分配策略根据目标函数的单调特性采用二分法获得该轮循环下的目标功率控 制策略，并根据该目标功率策略更新资源块分配策略。
[0024] 有益效果:本发明方法在给定跨层干扰约束限制的条件下，致力于求解飞蜂窝网 络系统能效公平的资源块分配和功率控制策略，对于这样一个非凸并混合了整形变量的多 目标分式优化问题，本发明依据分式规划理论进行转换并采用广义丁克尔巴赫算法进行求 解。特别的，对于GDA算法中的子问题，本发明设计了一种飞蜂窝间信息交互有限的分布式 算法并最终获得了最优的资源分配与功率控制策略。通过计算机仿真验证，本发明方法可 以有效提高网络系统的最低能效以及公平性。
【附图说明】
[0025] 图1为本发明实施例的仿真系统模型图；
[0026] 图2为本发明实施例的实现流程图；
[0027] 图3为不同方案下系统的最小能效指标随跨层干扰约束变化曲线结果图；
[0028] 图4为不同方案下系统的能效公平性指标随跨层干扰约束变化曲线结果图；
[0029]图5为不同方案下系统的最小能效指标随最大发射功率变化曲线结果图；
[0030]图6为不同方案下系统的能效公平性指标随最大发射功率变化曲线结果图。
【具体实施方式】
[0031] 为了更详细地介绍本发明的技术内容，特举具体实例并配合【附图说明】如下。
[0032] 图1建立了本发明的系统仿真模型，3个飞蜂窝网络密集部署在宏小区的小区边 缘，各飞蜂窝随机部署3个飞蜂窝用户，在飞蜂窝的周围随机分布了一些宏小区用户并选取 到各飞蜂窝基站平均距离最短的用户作为距离飞蜂窝网络最近的用户，规定飞蜂窝网络对 该宏小区用户的跨层干扰不能高于预定值。此外宏小区的覆盖半径为500m，飞蜂窝的覆盖 半径为20m，系统可用资源块的数量为32个，宏小区基站的最大发射功率为46dBM，飞蜂窝基 站的最大发射功率为10~30dBM。电路处理功率损耗为IOdBM,回程链路功率损耗为5dBM。无 线传输的室外路径损耗模型为28+351 〇g1Q(d)dB，室内传输路径损耗模型为37+301〇g1Q(d) dB。功率放大器的低效性为=1.5，跨层干扰Q的取值范围为-110~-60dBM。
[0033] 基于该具体的系统模型和仿真参数，本发明实施例一种异构网络中基于能效公平 的资源分配和功率控制方法，如图2所示，方法首先初始化误差精度，迭代次数、初始能量效 率等参数，然后进行GDA算法子问题的求解迭代运算直到最小目标函数值小于预先设定的 误差精度。具体步骤如下：
[0034] (1)为了获得公平的异构网络资源与功率分配策略，在GDA算法的第1次迭代下，首 先求解如下子问题：
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 是第i个飞蜂窝的吞吐量：
指的是第i个飞蜂窝总的功率消耗
旨的是第i个飞 蜂窝中用户η在第k个资源块上的接叹信十噪比。Bo是早个资源块的带苋，M，K分别指的是异 构网络中飞蜂窝的数量以及可用资源块的数量。N1表示第i个飞蜂窝中用户的数量。 ^分别指的是第i个飞蜂窝中用户η占用第k个资源块进行传输的指示因子以及传输 功率，因此整个飞蜂窝网络的功率分配以及资源分配策略可以分别定义为P=[P (1)L P(1)L
站（Femtocell base station，FBS)以及宏小区基站（Macrocell base station，MBS)占用 第k个资源块到第i个飞蜂窝中用户η的信道功率增益。Zfw表示第i个飞蜂窝到宏小区中占 用第k个资源块的用户的信道功率增益。是第i个飞蜂窝内基站占用第k个资源块到用户 η的信道功率增益，是宏小区基站在第k个资源块上的发送功率，σ2是用户接收端的高斯 白噪声功率。P max，Q分别指的是单个资源块上的最大发射功率以及宏小区用户可以承受的 最大干扰。，PS分别是第i个飞蜂窝的基站所需要的电路功率以及回程链路功率损耗。 指的是飞蜂窝基站功率放大器的低效性。的是第1次迭代下所有飞蜂窝的最低能效 值。对于以上子问题，限制条件Cl指的是任何一个资源块只能分给一个用户进行传输，限制 条件C2指的是单个资源块上发射功率的限制，限制条件C3指的是对宏小区用户的干扰约束 条件。
[0040] (2)依据下式计算并选取最小的目标函数值：
[0041]
[0042] (3)依据下式计算第1+1迭代次数下飞蜂窝系统的最小能量效率：
[0043]
[0044] (4)循环以上（1)-(3)步，直到最小目标函数值小于预先设定的误差精度e，即：
[0045] F<e
[0046] 特别的，对于步骤（1)所述子问题，采用飞蜂窝间协作有限的分布式算法实现，具 体步骤如下：
[0047] 1)各FBS收集来自其它FBSs的目标函数值W =(：(〃-為/^，依据下式计算目标距 尚并广播Dtar以及入1:
[0048]
[0049]
[0050]
[0051]
[0052] 的是第i个飞蜂窝内用户η占用第k 个资源块所受到的干扰及噪声。表示第i个飞蜂窝内用户η占用第k个资源块的最优功率 分配，Pk是限制条件C3的拉格朗日乘子。
[0053] 3)各FBS依据下式计算资源块分配策略：
[0054]
[0055] 第i个飞蜂窝中资源块分配优化问题的目标函数。
[0056] 4)依据所得功率与资源分配策略计算最优的目标函数值并与目标距离相比较，若 该目标函数值小于目标距离，则获得本轮循环下的最优功率控制与资源块分配策略。若该 目标函数值大于目标距离，则固定资源块分配策略根据该目标函数的单调特性采用二分法 即可获得该轮循环下的目标功率控制策略，然后根据该目标功率策略以及3)更新资源块分 配策略。
[0057]为验证本发明方法的有效性及其优势，在本仿真模型下了不同方案的对比试验， 图3、图4分别显示了该发明所提方法的系统最小能效和公平性指数随跨层干扰约束变化的 结果示意图，显然，该方法与其它方法相比较，可以有效提高系统的最小能效进而提高飞蜂 窝网络系统的能效公平性。图5、图6分别显示所提方法的系统最小能效和公平性指数随飞 蜂窝基站最大发射功率变化的结果示意图，同样我们验证了所提方法的有效性，即所提方 法的系统最小能效以及公平性均得到显著提高。
【主权项】
1. 一种异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特征在于，该方法采 用下克尔己赫算法(GDA)优化网络系统的能效，首先初始化误差精度e，迭代次数1和能量效 率Al;然后进行GDA算法的迭代运算，每次迭代在给定的约束条件下求解子问题I下 轮迭代的最小能量效率年+1 = ^自{cw /巧，直到最小目标函数值小于预先设定的误差精 度e;其中C("为第i个飞蜂窝的吞吐量，if为第i个飞蜂窝总的功率消耗，M为异构网络中飞 蜂窝的数量，P、A分别表示整个飞蜂窝网络的功率分配W及资源分配策略。2. 根据权利要求1所述的异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特 征在于，求解GDA算法子问题的具体步骤包括： (1) 各飞蜂窝基站i(FBS)计算各自目标函数'收集来自其它FBS的 目标函数值，根据目标函数值计算目标距离，并将目标距离和能效广播； (2) 各FBS计算本轮循环下的最优功率分配策略，并根据最优功率分配策略得到资源分 配策略； (3) 各FBS根据功率与资源分配策略计算最优的目标函数值并与目标距离相比较，若目 标函数值小于目标距离，则获得本轮循环下的最优功率控制与资源块分配策略；否则固定 资源块分配策略根据目标函数的单调特性采用二分法获得该轮循环下的目标功率控制策 略，并根据该目标功率策略更新资源块分配策略。3. 根据权利要求1所述的异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特征 在于，所述约束条件包括：<其中诚1，公']分别表示第i个飞蜂窝中用户n占用第k个资源块进行传输的指示因子W及传 输功率，K为异构网络中可用资源块的数量，Pmax, Q分别表示单个资源块上的最大发射功率 W及宏小区用户可W承受的最大干扰，Ni表示第i个飞蜂窝中用户的数量，AfM表示第i个飞 蜂窝到宏小区中占用第k个资源块的用户的信道功率增益。4. 根据权利要求1所述的异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特 征在于，飞蜂窝的吞吐量及总的功率消耗的计算公式分别为：资源块 上的接收信干噪比；其中，Bo是单个资源块的带宽，巧"，/惩分别是第i个飞蜂窝的基站所 需要的电路功率W及回程链路功率损耗，Am是飞蜂窝基站功率放大器的低效性， ，各,)子分别是第j个飞蜂窝的基站W及宏小区基站占用第k个资源块到第i个飞蜂窝中 用户n的信道功率增益，々思是第i个飞蜂窝内基站占用第k个资源块到用户n的信道功率增 益，/皆是宏小区基站在第k个资源块上的发送功率，O2是用户接收端的高斯白噪声功率。5. 根据权利要求2所述的异构网络中某干能效公平的咨源分配和功率控制方法，其特 征在于，目标距离Dtar的计算公式夫^ 其46. 根据权利要求2所述的异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特 征在于，各FBS根据如下公式计算功率分配策略： 其中*3用户n占用第k个资源 块所受到的干扰及噪声，Pl堂表示第i个飞蜂窝内用户n占用第k个资源块的最优功率分配， 化是限制条件C3的拉格朗日乘子。7. 根据权利要求6所述的异构网络中基于能效公平的资源分配和功率控制方法，其特 征在于，各FBS报据化下公式计貸咨源块A配策略： 其CI示第i 个飞蜂窝中资源巧分配化化问禮的目称巧数。
【文档编号】H04W52/40GK105916198SQ201610236886
【公开日】2016年8月31日
【申请日】2016年4月15日
【发明人】衡伟, 张国栋
【申请人】东南大学