多载波通信系统中的上行链路的能效控制方法
【专利摘要】提供了一种多载波通信系统中的上行链路的能效控制方法。所述方法包括：(a)从多个用户终端中随机选择用户终端；(b)获取多个子载波信道中的各个子载波信道的关于所选择的用户终端的增益和所选择的用户终端的最小能效要求；(c)将具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配给所选择的用户终端；(d)基于分配给所选择的用户终端的子载波信道，计算所选择的用户终端的最优能效；(e)对所选择的用户终端的最优能效和所选择的用户终端的最小能效要求进行比较；(f)当所选择的用户终端的最优能效大于或等于所选择的用户终端的最小能效要求时，不再将子载波信道分配给所选择的用户终端。
【专利说明】
多载波通信系统中的上行链路的能效控制方法
技术领域
[0001] 本申请涉及一种上行链路的能效控制方法和设备，更具体地讲，涉及多载波通信 系统中的上行链路的能效控制方法和设备。
【背景技术】
[0002] 随着互联网技术的发展，人们能够利用用户终端进行语音通信，并经由数据网络 来欣赏音乐和视频等服务。用户终端已经成为生活的必需品，人们使用用户终端的频率也 非常高。然而，由于移动终端中的电池技术发展缓慢，因此用户终端的使用时间无法满足人 们的需求。
[0003] 目前，在现有的用于上行链路能效控制的能效最大化算法中，为了使得整体能效 最大化而降低了某些用户终端的应该享有的能效需求，缩短了其电池续航时间。另外，基于 非合作博弈的上行链路能效控制算法无法保证资源分配的公平性。
【发明内容】
[0004] 本发明的示例性实施例在于提供一种多载波通信系统中的上行链路的能效控制 方法和设备，以在有效满足每个介入的无线终端的最低能效要求的同时，体现资源分配的 公平性
[0005] 根据本发明的示例性实施例的一方面，提供了一种多载波通信系统中的上行链路 的能效控制方法。所述方法包括：（a)从多个用户终端中随机选择用户终端；（b)获取多个子 载波信道中的各个子载波信道的关于所选择的用户终端的增益和所选择的用户终端的最 小能效要求；（c)将具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配给所选择的 用户终端；（d)基于分配给所选择的用户终端的子载波信道，计算所选择的用户终端的最优 能效；（e)对所选择的用户终端的最优能效和所选择的用户终端的最小能效要求进行比较； (f)当所选择的用户终端的最优能效大于或等于所选择的用户终端的最小能效要求时，不 再将子载波信道分配给所选择的用户终端。
[0006] 可选择地，当所选择的用户终端的最优能效小于所选择的用户终端的最小能效要 求并且在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波信道时，可将从空闲的子载波信道中随 机选择的子载波信道分配给所选择的用户终端，并返回步骤(d)。
[0007] 可选择地，可获取所选择的用户终端的最低速率要求并对利用平均功率计算出的 所选择的用户终端的总速率和所选择用户终端的最低速率要求进行比较。步骤(c)可包括： 当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率大于或等于所选择用户终端的最低 速率要求时，不再将子载波信道分配给所选择的用户终端。
[0008] 可选择地，步骤(c)还可包括：当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速 率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果在所述多个子载波信道中不存在空闲的 子载波信道，则可将已分配给所选择的用户终端的子载波信道回收作为空闲的子载波信 道。
[0009] 可选择地，步骤(c)还可包括：当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速 率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果在所述多个子载波信道中存在空闲的子 载波信道，则可将空闲的子载波信道中的具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波 信道分配给所选择的用户终端。
[0010] 可选择地，当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率大于或等于所选 择用户终端的最低速率要求时，可确定在所述多个子载波信道中是否存在空闲的子载波信 道。如果在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波信道，则可从所述多个用户终端中随 机选择除所选择的用户终端以外的另一用户终端，并且返回步骤(b)。
[0011] 可选择地，如果在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波信道，可确定所述多 个用户终端中的各个用户终端的总速率是否都大于或等于所述各个用户终端的最低速率 要求。当所述多个用户终端中的各个用户终端的总速率大于或等于所述各个用户终端的最 低速率要求时，可将所述多个载波信道中的剩余的子载波信道回收作为空闲的子载波信 道。
[0012] 可选择地，当所选择的用户终端和所述另一用户终端的最优能效都小于各自的最 小能效要求时，可将从所述多个子载波信道中的空闲的子载波信道中随机选择的子载波信 道分配给从所选择的用户终端和所述另一用户终端中随机选择的用户终端。
[0013]可选择地，当所选择的用户终端的最优能效小于所选择的用户终端的最小能效要 求并且在所述多个子载波信道中不存在空闲的子载波信道时，可将所选择的用户终端的所 述最优能效设置为所选择的用户终端的最小能效需求。
[0014] 通过使用根据本发明的示例性实施例的方法和设备，，能够在满足每个无线终端 的最大功率约束和最小速率需求的情况下，有效满足每个接入的无线终端的最低能效要求 的同时，体现资源分配的公平性。
[0015] 将在接下来的描述中部分阐述本发明总体构思另外的方面和/或优点，还有一部 分通过描述将是清楚的，或者可以经过本发明总体构思的实施而得知。
【附图说明】
[0016] 通过下面结合示例性地示出的附图进行的描述，本发明的上述和其他目的和特点 将会变得更加清楚，其中：
[0017] 图1是示出根据本发明的示例性实施例的上行链路的能效控制方法的流程图；
[0018] 图2是示出根据本发明的示例性实施例的子载波信道分配方法的流程图；
[0019] 图3是示出根据本发明的示例性实施例的能效调度方法的流程图；
[0020] 图4是示出根据本发明的示例实施例的上行链路的能效控制设备的框图。
【具体实施方式】
[0021 ]在本文中参照附图详细描述示例性实施例，使示例性实施例所示领域的普通技术 人员可以容易地执行本公开。然而，本发明构思可被实施为许多不同形式，而不应被解释为 限于在此阐述的示例性实施例。在附图中，为了解释简明，省略与描述无关的部件，并且在 整个附图中，相似的标号指示相似元件。
[0022]本发明涉及多载波通信系统的上行链路。多载波通信系统中可包括基站和多个用 户终端。多个用户终端可包括但不限于智能电话、平板个人计算机(PC)、膝上型计算机、数 字广播终端、个人数字助理(PDA)、便携式多媒体播放器(PMP)和导航设备。用户终端的能效 (衡量标准为bits/J)可表示每焦耳能发送的比特数，能效越高，则用户终端就能够以更少 的电力来传输数据。
[0023] 本发明旨在利用纳什议价解来实现上行链路整体能效最优化。纳什议价解是合作 博弈的一种建模方式。以下，将详细描述利用纳什议价解来实现能效最优化的处理。然而， 应注意本发明不限于纳什议价模型，在不脱离本发明的范围和精神的情况下，任何能够利 用合作博弈来实现能效最优化的模型都可应用于本发明。
[0024] 图1是示出根据本发明的示例性实施例的上行链路的能效控制方法的流程图。 [0025]参照图1，在操作S101，基站可从多个用户终端中随机选择用户终端。
[0026] 在操作S103,基站可获取多个子载波信道中的各个子载波信道的关于所选择的用 户终端的增益以及所选择的用户终端的最小能效要求。
[0027] 在操作S105,基站可将具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配 给所选择的用户终端。在此，可将固定数量的子载波信道分配给所选择的用户终端。此外， 还可考虑所选择的用户终端的最低速率要求来将信道增益最大的多个子载波信道逐个分 配给所选择的用户终端。以下，将参照图2来详细描述上述处理。
[0028] 在操作S107,基站可基于分配给所选择的用户终端的子载波信道来进行能效调 度。根据本发明的示例性实施例，基站可基于分配给所选择的用户终端的子载波信道计算 所选择的用户终端的最优能效，并对所选择的用户终端的最优能效和所选择的用户终端的 最小能效要求进行比较。
[0029] 当所选择的用户终端的最优能效大于或等于所选择的用户终端的最小能效要求 时，可不再将子载波信道分配给所选择的用户终端。当所选择的用户终端的最优能效小于 所选择的用户终端的最小能效要求并且在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波信道 时，基站可将从空闲的子载波信道中随机选择的子载波分配给所选择的用户终端，并重新 计算所选择的用户终端的最优能效。以下将参照3来详细描述上述处理。
[0030] 图2是示出根据本发明的示例性实施例的子载波分配方法的流程图。
[0031] 参照图2,在操作S201，基站可将各个子载波信道中的具有关于所选择的用户终端 的最大增益的子载波信道分配给所选择的用户终端。
[0032] 在操作S203,基站可获取所选择的用户终端的最低速率要求，对利用平均功率计 算出的所选择的用户终端的总速率和所选择的用户终端的最低速率要求进行比较。基站还 可获取用户终端的最大输出功率。可通过将用户终端的最大输出功率除以分配给该用户终 端的子载波信道数量来计算出该用户终端的平均功率。用户终端的总速率可由下面的等式 1和等式2来表示。
[0033] [等式 1]
[0034]
[0035]
[0036]
[0037]具中，k为用尸终觸的編亏，η为于载波的编号，Rk为第k个用户终端的总速率， pk,ave3r为第k个用户终端的平均功率，rk,n为第k个用户终端在第η个子载波信道上的速率，W 为子载波的带宽，也,"为关于第k个用户终端的第η个子载波信道的信道增益。
[0038]在操作S205,基站可确定用户终端的总速率是否小于用户终端的最低速率要求。 当用户终端的总速率大于或等于用户终端的最低速率要求时，在操作S207,基站可不再为 所选择的用户终端分配子载波信道。根据本发明的另一实施例，基站可确定是否存在空闲 的子载波信道。如果存在空闲的子载波信道，则基站可从所述多个用户终端中随机选择除 所选择的用户终端以外的另一用户终端，即，返回步骤S101。
[0039]随后，在步骤S209,基站可确定是否还存在空闲的子载波信道。
[0040] 如果存在空闲的子载波信道，则在操作S211，基站可确定是否满足所有的用户终 端的最低速率要求，即，确定所述多个用户终端中的各个用户终端的总速率是否都大于或 等于所述各个用户终端的最低速率要求。如果满足了所有的用户终端的最低速率要求，则 子载波信道分配结束，并且在操作S213,可将剩余的子载波信道回收作为空闲的子载波信 道，以用于随后的能效调度（即，操作S107)。如果没有满足所有的用户终端的最低速率要 求，则可在没有满足最低速率要求的用户终端中随机选择另一个用户终端（即，返回到操作 sioi)〇
[0041] 如果在操作S209,基站确定不存在空闲的子载波信道，则可结束处理。
[0042]在操作S205,当用户终端的总速率小于用户终端的最低速率要求时，在步骤215， 可确定是否存在空闲的子载波。当存在空闲的子载波时，返回到操作S201，基站可将空闲的 子载波信道中的具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配给所选择的用 户终端。当不存在空闲的子载波信道时，在操作S217,基站可拒绝该用户终端的接入，并回 收已分配给该用户的子载波信道作为空闲的子载波信道，以用于随后的能效调度（即，操作 S107)〇
[0043] 图3是示出根据本发明的示例性实施例的能效调度方法的流程图。
[0044] 参照图3,在操作S301，基站可基于分配给所选择的用户终端的子载波信道来计算 最优能效。在此，基站可获取用户终端的电路消耗功率，子载波信道上的传输功率，可通过 以下表达式来计算最优能效。
[0045] [表达式1]
[0046]
[0047]
[0048]其中，表示功率放大器漏极效率的倒数，Pk,c表示静态的电路消耗功率，Pk,n为第 k个用户终端在第η个子载波信道上的传输功率，Pk, t〇i为总的消耗功率，Pk,max为第k个用户 终端的最大传输功率，Ck表不分配给第k个用户终端的子载波的集合。
[0049] 由于Pk,tQl已知，因此利用常规的注水算法就可求出如下面等式3所示的最优解。
[0050] [等式 3]
[0051]
[0052] 其中，λ表示拉格朗日乘子，hk,n*针对第k个用户终端的第η个子载波信道的信道 增益，σ 2是加性高斯白噪声，（)+是取正函数。
[0053] 已知总的传输功率）由此可?Ι
，：
[0054] 其中，| Ck |表示分配给第k个用户的子载波的数量。由此可得由下面的等式4表示 的能效函数Uk。
[0055] [等式 4]
[0056] ~ K
~ (C.C
[0057] 由于Uk(pk)是pk的拟凹函数因此4
n .， 八 ，
[0058] 其中
I λ·.?* I I 〇·<；?! v / II, 1 1 f 、 Z 〇
[0059]由Lamber t-W函数可得总的传输功率的最优的封闭解 [0060] V
'
[0061] 将最优传输总功率K代〉
可得到最优的λ，再将最优的λ代入 等式3，可得到最优的子信道功率分Κ，开i η」通]Q：将得到的最优的子信道功率分配代入表 达式1来计算出最优能效。
[0062] 在操作S303,基站可对所选择的用户终端的最优能效和所选择的用户终端的最小 能效要求进行比较，并确定所选择的用户终端的最优能效是否小于该用户终端的最小能效 要求。
[0063] 当所选择的用户终端的最优能效小于该用户终端的最小能效要求时，在操作 S305，基站可确定是否存在空闲的子载波信道。当存在空闲的子载波信道时，在操作S307， 基站可从空闲的子载波信道中随机选择子载波信道并将其分配给所选择的用户终端。随 后，基站可重新计算该用户终端的最优能效。
[0064] 当不存在空闲的子载波信道时，在操作S309,基站可将所选择的用户终端的最优 能效设置为该用户终端的最小能效需求，并结束处理。
[0065] 根据本发明的示例性实施例，当存在多个最优能效小于最小能效要求的用户终端 时，从所述多个最优能效小于最小能效要求的用户终端中随机选择用户终端，将从空闲的 子载波信道中随机选择的子载波分配给该随机选择的用户终端。根据本发明的示例性实施 例，当所选择的用户终端和另一用户终端的最优能效都小于各自的最小能效要求时，将从 所述多个子载波信道中的空闲的子载波信道中随机选择的子载波信道分配给从所选择的 用户终端和所述另一用户终端中随机选择的用户终端。在所述随机选择的用户终端的最优 能效大于或等于最小能效之后，如果还存在空闲的子载波信道，则可将从空闲的子载波信 道中随机选择的子载波信道分配给所述随机选择的用户终端之外的另一用户终端。尽管针 对存在两个最优能效小于最小能效要求的用户终端的情况进行了描述，但对于本领域技术 人员而言显然的是，最优能效小于最小能效要求的用户终端的数量不限于此。
[0066] 在此，由于在两次子载波分配分配中用户是随机选择的并且在提高能效的过程中 子载波也是随机选择的，因此可保证资源分配的公平性。
[0067] 图4是示出根据本发明的示例实施例的上行链路的能效控制设备的框图。
[0068]参照图4,上行链路的能效控制设备400可包括选择器401、信道信息获取器403、计 算器405、比较器407和控制器409。
[0069]根据本发明的示例性实施例，选择器401可从多个用户终端中随机选择用户终端。 信道信息获取器403可获取多个子载波信道中的各个子载波信道的关于所选择的用户终端 的增益和所选择的用户终端的最小能效要求。控制器409可将具有关于所选择的用户终端 的最大增益的子载波信道分配给所选择的用户终端。计算器405可基于分配给所选择的用 户终端的子载波信道，计算所选择的用户终端的最优能效。比较器407可对所选择的用户终 端的最优能效和所选择的用户终端的最小能效要求进行比较。
[0070] 根据本发明的另一示例性实施例，当比较器407的比较结果为所选择的用户终端 的最优能效大于或等于所选择的用户终端的最小能效要求时，控制器409可不再将子载波 信道分配给所选择的用户终端。
[0071] 根据本发明的另一示例性实施例，当比较器407的比较结果为所选择的用户终端 的最优能效小于所选择的用户终端的最小能效要求并且存在空闲的子载波信道时，控制器 409可将从空闲的子载波信道中随机选择的子载波分配给所选择的用户终端，并重新计算 所选择的用户终端的最优能效。最优能效的计算方法与以上参照图3所描述的方法相同，因 此，在此省略重复的描述。
[0072] 根据本发明的另一示例性实施例，当存在多个最优能效小于最小能效要求的用户 终端时，选择器401还可从所述多个最优能效小于最小能效要求的用户终端中随机选择用 户终端。此外，控制器409还可将从空闲的子载波信道中随机选择的子载波分配给所选择的 用户终端。
[0073] 根据本发明的另一示例性实施例，信道信息获取器403还可获取所选择的用户终 端的最低速率要求、每个子载波信道的带宽、用户终端的传输功率等。比较器407还可对利 用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率和所选择用户终端的最低速率要求进行 比较。
[0074] 当比较器407的比较结果为利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率大 于或等于所选择用户终端的最低速率要求时，控制器409可不再将子载波信道分配给所选 择的用户终端。
[0075] 根据本发明的另一示例性实施例，当比较器407的比较结果为利用平均功率计算 出的所选择的用户终端的总速率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果不存在空 闲的子载波信道，则控制器409可将已分配给所选择的用户终端的子载波信道回收作为空 闲的子载波信道。
[0076] 根据本发明的另一示例性实施例，当比较器407的比较结果为利用平均功率计算 出的所选择的用户终端的总速率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果在所述多 个子载波信道中存在空闲的子载波信道，则控制器409可将空闲的子载波信道中的具有关 于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配给所选择的用户终端。
[0077]根据本发明的另一示例性实施例，当所选择的用户终端的最优能效小于所选择的 用户终端的最小能效要求并且不存在空闲的子载波信道时，控制器409可将所选择的用户 终端的所述最优能效设置为所选择的用户终端的最小能效需求。
[0078] 根据本发明的另一示例性实施例，当所述多个用户终端中的各个用户终端的总速 率大于或等于所述各个用户终端的最低速率要求时，控制器409还可将剩余的子载波信道 回收作为空闲的子载波信道。
[0079] 通过使用根据本发明的示例性实施例的方法和设备，能够在满足每个无线终端的 最大功率约束和最小速率需求的情况下，有效满足每个接入的无线终端的最低能效要求的 同时，体现资源分配的公平性。
[0080] 示例性实施例可实施为计算机可读存储介质上的计算机可读代码。计算机可读存 储介质是可存储其后可由计算机系统读取的数据的任何数据存储装置。
[0081 ]用于执行在此描述的方法或所述方法的一个或多个操作的程序指令可被记录、存 储或固定在一个或多个计算机可读存储介质中。可通过计算机实施所述程序指令。例如，计 算机可促使处理器执行所述程序指令。所述介质可包括单独的数据文件、数据结构等或包 括与程序指令相结合的数据文件、数据结构等。计算机可读存储介质的示例包括:磁介质 (诸如，硬盘、软盘和磁带）、光学介质(诸如，CD-ROM盘和DVD)、磁光介质(诸如，光盘）、以及 专门配置用于存储和执行程序指令的硬件装置(诸如，只读存储器(R0M)、随机存取存储器 (RAM)、闪存等）。程序指令的示例包括机器代码(诸如由编译器产生的机器代码)和包含可 由计算机使用解释器执行的更高级代码的文件。程序指令（即，软件)可被分布在联网的计 算机系统上，从而以分布式方式存储和执行所述软件。例如，可由一个或多个计算机可读存 储介质存储软件和数据。此外，可基于并使用附图的流程图和框图以及在此提供的所述流 程图和框图的对应描述，由实施例所属领域的程序员容易地解释用于完成在此公开的示例 实施例的功能程序、代码和代码段。此外，所描述的用于执行操作或方法的单元可以是硬 件、软件或硬件和软件的某种组合。例如，所述单元可以是在计算机上运行的软件包或软件 正在其上运行的计算机。
[0082]尽管已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施例，但是本领域普通技术人员 将理解，在不脱离由权利要求限定的本发明构思的精神和范围的情况下，可在形式和细节 上做出各种变化。因此，应该理解，这里描述的示例性实施例应该仅被理解为描述性，而非 限制的目的。示例性实施例的范围不是由详细描述限定，而使由权利要求限定，并且权利要 求及其等同物的范围内的所有不同将被解释为包括在示例性实施例中。
【主权项】
1. 一种多载波通信系统中的上行链路的能效控制方法，包括： (a) 从多个用户终端中随机选择用户终端； (b) 获取多个子载波信道中的各个子载波信道的关于所选择的用户终端的增益和所选 择的用户终端的最小能效要求； (c) 将具有关于所选择的用户终端的最大增益的子载波信道分配给所选择的用户终 端； (d) 基于分配给所选择的用户终端的子载波信道，计算所选择的用户终端的最优能效； (e) 对所选择的用户终端的最优能效和所选择的用户终端的最小能效要求进行比较； (f) 当所选择的用户终端的最优能效大于或等于所选择的用户终端的最小能效要求 时，不再将子载波信道分配给所选择的用户终端。2. 如权利要求1所述的方法，还包括： 当所选择的用户终端的最优能效小于所选择的用户终端的最小能效要求并且在所述 多个子载波信道中存在空闲的子载波信道时，将从空闲的子载波信道中随机选择的子载波 信道分配给所选择的用户终端，并返回步骤(d)。3. 如权利要求1所述的方法，还包括:获取所选择的用户终端的最低速率要求并对利用 平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率和所选择用户终端的最低速率要求进行比 较， 其中，步骤(c)包括：当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总速率大于或等于 所选择用户终端的最低速率要求时，不再将子载波信道分配给所选择的用户终端。4. 如权利要求3所述的方法，其中，步骤(c)还包括：当利用平均功率计算出的所选择的 用户终端的总速率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果在所述多个子载波信道 中不存在空闲的子载波信道，则将已分配给所选择的用户终端的子载波信道回收作为空闲 的子载波信道。5. 如权利要求3所述的方法，其中，步骤(c)还包括：当利用平均功率计算出的所选择的 用户终端的总速率小于所选择的用户终端的最低速率要求时，如果在所述多个子载波信道 中存在空闲的子载波信道，则将空闲的子载波信道中的具有关于所选择的用户终端的最大 增益的子载波信道分配给所选择的用户终端。6. 如权利要求3所述的方法，还包括；当利用平均功率计算出的所选择的用户终端的总 速率大于或等于所选择用户终端的最低速率要求时，确定在所述多个子载波信道中是否存 在空闲的子载波信道； 如果在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波信道，则从所述多个用户终端中随机 选择除所选择的用户终端以外的另一用户终端，并且返回步骤(b)。7. 如权利要求6所述的方法，还包括:如果在所述多个子载波信道中存在空闲的子载波 信道，确定所述多个用户终端中的各个用户终端的总速率是否都大于或等于所述各个用户 终端的最低速率要求； 当所述多个用户终端中的各个用户终端的总速率大于或等于所述各个用户终端的最 低速率要求时，将所述多个载波信道中的剩余的子载波信道回收作为空闲的子载波信道。8. 如权利要求6所述的方法，其中，当所选择的用户终端和所述另一用户终端的最优能 效都小于各自的最小能效要求时，将从所述多个子载波信道中的空闲的子载波信道中随机 选择的子载波信道分配给从所选择的用户终端和所述另一用户终端中随机选择的用户终 端。9.如权利要求1所述的方法，其中，当所选择的用户终端的最优能效小于所选择的用户 终端的最小能效要求并且在所述多个子载波信道中不存在空闲的子载波信道时，将所选择 的用户终端的所述最优能效设置为所选择的用户终端的最小能效需求。
【文档编号】H04W72/04GK105933980SQ201610228094
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年4月13日
【发明人】周金和, 王川潮, 张元
【申请人】北京信息科技大学