专利名称：基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法
技术领域：
本发明属于无线通信技术领域，尤其涉及一种基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法。
背景技术：
传统的宏蜂窝网络架构无法为室内、热点地区或中小企业用户提供良好的覆盖，这是因为(I) 4G/B4G系统载波频率高于3G，路径损耗增大。(2)移动用户的数据速率需求呈指数形式增长。(3)大约70%的业务发生在室内。为了解决宏蜂窝网络架构的这一缺点，引入密集部署的低功率节点，形成Macro-Femto异构网络。这些低功率节点部署在室内，拉近了天线与用户之间的距离，降低了路径损耗，能够为用户提供更大的带宽和更高的数据速率。在传统的分层协议栈架构中，各层处理机制相互独立，没有相互合作优化网络性能。跨层设计的基本思想是通过层与层之间参数的传递，相互协作，更有效、更公平、更合理的利用网络资源，从而降低能耗，提升网络性能。无线通信网络的巨大能耗及其产生的环境问题使得通信业成为节能减排重点行业。基于跨层设计的能耗最小化能够降低网络能耗，具有技术发展前景。在现有技术中，跨层设计技术应用于Macro-Femto异构网络尚未见相关文献报导或者检索到相关专利。通过信息检索，与本发明最相近的实现方案是将跨层设计技术应用于传统宏蜂窝网络。此方案只考虑了网络层、MAC层、物理层之间的联合优化。使用信噪比来刻画用户的数据速率，没有考虑干扰，因此不适合真实网络场景。用户业务模型为时延敏感业务和时延不敏感业务。考虑的业务模型不全面，没有考虑尽力而为业务。现有技术方案中，每个用户只能发起一种类型的业务，不符合实际通信情况。在实际通信中，每个用户可以同时发起多种QoS不同的业务。现有技术针对采用OFDM (orthogonalfrequency division multiplexing,正交频分复用)传输技术的系统，没有考虑采用 MIM0-0FDM(multiple input multiple output-orthogonal frequency divisionmultiplexing,多输入多输出-正交频分复用)传输技术的系统，而MM0-0FDM传输技术是未来的技术发展趋势。现有的基于跨层的能耗最小化技术的缺点包括①只联合优化网络层、MAC层、物理层，没有考虑传输层和应用层的要求。没有充分利用层与层之间的信息交互，没有最大化网络性能的提升。②每个用户只能发起一种QoS要求的业务，时延敏感业务或者时延不敏感业务。而实际通信中，每个用户可以同时发起若干种QoS要求不同的业务，比如，话音、视频、游戏、超文本传输协议和文件传输协议等。③没有考虑干扰，将用户的数据速率用信噪比来表征，不符合实际通信情况，得到的结果对工程指导意义受限。④只考虑宏蜂窝网络，没有考虑异构网络。而异构网络是未来无线网络发展的趋势。在异构网络中，由于Macro与Femto之间的干扰以及Femto之间的干扰,使得跨层设计更具挑战性。⑤只考虑了传输技术为OFDM的系统，而没有考虑传输技术为MMO-OFDM的系统，而MIM0-0FDM传输技术是未来技术的发展趋势
发明内容
本发明的目的在于，提供一种基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法，将跨层设计技术应用于使用MMO-OFDM传输技术的Macro-Femto异构网络，考虑应用层、传输层、网络层、MAC层和物理层之间的联合优化，最小化系统能耗，同时保证各种业务的QoS要求。为了实现上述目的，本发明提出的技术方案是，一种基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法，其特征在于所述方法包括步骤I :建立使异构融合网络能耗最小的数学模型并确定相应的约束条件；设异构融合网络中有M个宏基站，每个宏小区有Km个用户，每个宏小区的用户构
成的集合为n 9 ^,异构融合网络中所有宏小区用户构成的集合为，
权利要求
1.一种基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法，其特征在于所述方法包括 步骤I:建立使异构融合网络能耗最小的数学模型并确定相应的约束条件； 设异构融合网络中有M个宏基站，每个宏小区有Km个用户，每个宏小区的用户构成_ M的集合为n 9 r x异构融合网络中所有宏小区用户构成的集合为I = Ut，每个宏基站的发送天线的数量为~ m= 1，2，...，M，所有宏基站构成的集合为宏基站集合M，异构融合网络的资源块的个数为J，异构融合网络中有F个毫微微基站，每个毫微微小区有Kf个用户，每个毫微微小区的用户构成的集合为€ = {1,2,...,^^}，异构融合网络中所有毫微微小区用户构成的集合为F = CjIf，毫微微基站f的发送天线的数量为Λ , f = /=11,2,..., F，所有毫微微基站构成的集合为毫微微基站集合F ,则使异构融合网络能耗最小的数学模型为 (M Km JN'；1F Kf jNfΛ ,^np ΣΣΣa^-JΣpm,hn+λΣ； k=l J=I =1f=l k'=l j=/=1J 其中，I k, j为宏小区资源块分配指示符，当宏基站m使用资源块j与宏小区用户k通 时，am, k, j = I，否则 am, k，j = O ;A = {am, k, j I am, k, j e {0，1} ;m = 1，2，· · ·，M;k = 1，2，· · ·，Km; j = 1，2，· · ·，J}，A 为宏小区资源块分配方案； Pffl, j, 为宏基站m分配给发送天线η的资源块j的功率，pffl, j, n为非负实数且其最大值不超过宏基站m的发送天线所传输的最大功率Pm,_ ； Pm = \Pm,},n I ^==, Pm 为宏小区的功率分配方案； bf, k, , j为毫微微小区资源块分配指示符，当毫微微基站f使用资源块j与毫微微小区用户k'通信时，bf, k,,」=I，否则bf, k, j = 0 ；B = {bf,k, ,j |bfjk, ,j e {0, 1} ;f = 1,2,...,Fiki = 1，2，· · ·，Kf; j = 1，2，· · ·，J}，B 为毫微微小区资源块分配方案； Pf,JU为毫微微基站f分配给发送天线I资源块j的功率，pf,u为非负实数且其最大值不超过第f个毫微微基站的发送天线所传输的最大功率Pf,_ ； Pf={pfjJ\pLjJ ^
且Bnblu为实数； 宏小区资源块分配约束为;1=1毫微微小区功率约束为0 ( Pfjjjl ( Ptmax ； 毫微微小区资源块分配指示符线性约束为bf，k, ,j e (O, I]且&,, ,j为实数； 毫微微小区资源块分配约束为知口,1 ； MAC层对实时业务的时延约束采用物理层参数表征，具体为 为宏小区的第k个用户的实时业务在资源块j上的数据传输速率，芯为宏小区的第k个用户的实时业务队列头分组正确传输时的最大长度，TTI为传输时间间隔； MAC层对非实时业务的数据速率约束为二 >C 为非实时业务的数据传输速率，Cl为非实时业务的最小数据速率需求； 网络层约束为-.q^+qT <rkxTTI，<为宏小区的第k个用户的实时业务在当前传输时间间隔内必需传输的队列长度,9Γ为宏小区的第k个用户的非实时业务在当前传输时间间隔内必需传输的队列长度，rk为宏小区的第k个用户的容量； 传输层约束为PdMp ( PER, Pdrop为分组丢失概率，Pdrop ( PER为误包率要求； 步骤2 :确定求得所述数学模型的最优解的拉格朗日函数，包括
2.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述计算拉格朗日乘子和ξ,的最优解(aj*和(ξ,Γ具体是 步骤A :设定的初始值为(Bu)tl，利用二分搜索算法来获得1,的初始值，再利用弦割法求得€,的最优解(ξ,Γ; 步骤B :再利用二分搜索算法来获得a+n的最优解(a^r。
3.根据权利要求I所述的方法，其特征在于，所述计算拉格朗日乘子a'u和k,的最优解(a' Μ) Ρ(ξ' k,广具体是 步骤A’ 设定a, u的初始值为(a' 口)。，利用二分搜索算法来获得ξ ' k,的初始值，再利用弦割法求得ξ ’ k,的最优解(ξ ' k, )*; 步骤B’ 再利用二分搜索算法来获得a, u的最优解(a' u)'
全文摘要
本发明公开了无线通信技术领域中的一种基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法。包括，建立使异构融合网络能耗最小的数学模型并确定相应的约束条件；确定求得所述数学模型的最优解的拉格朗日函数；计算拉格朗日乘子的最优解；更新宏小区和毫微微小区资源块分配指示符；根据拉格朗日乘子的最优解和更新后的宏小区及毫微微小区资源块分配指示符计算宏小区和毫微微小区功率分配的最优解；分别根据宏小区和毫微微小区功率分配的最优解，更新每个宏基站和毫微微基站分配给其各个发送天线的各个资源块的功率。本发明将跨层设计技术应用于异构网络，考虑各层之间的联合优化，实现了系统能耗的最小化，同时保证了各种业务的QoS要求。
文档编号H04W52/02GK102970734SQ20121043361
公开日2013年3月13日 申请日期2012年11月2日 优先权日2012年11月2日
发明者张秀宁, 徐少毅, 谈振辉, 陶成 申请人:北京交通大学