本发明属于通信领域,一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法。
背景技术
移动互联网业务的快速发展,对蜂窝无线接入网造成了巨大的流量压力。由于有限的无线资源,利用非正交接入技术使移动用户同时共用同一信道为无线接入提供一种有效的方法,实现在未来的5g网中超高吞吐量和大规模连接的目标。
技术实现要素:
为了克服现有技术的上行传输时间较长、所有用户总能量消耗较大缺点,本发明提供一种最小化上行传输时间与所有用户总能量消耗的基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法,本发明针对上行传输时间过大的难点,主要考虑的是利用非正交接入技术来传输数据,研究了一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法,包括以下步骤:
(1)在基站的覆盖范围下总共有i个移动用户,移动用户用集合
在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下,最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题orrcm(overallradioresourceconsumptionminimization)问题,orrcm指的是整体无线资源消耗最小化:
orrcm:
0≤t≤tmax(1-3)
variables:t
下面将问题中的各个变量做一个说明,如下:
α:上行传输时间的权重因子;
β:上行传输总能量消耗的权重因子;
t:移动用户发送数据到基站的上行传输时间,单位是秒;
w:移动用户到基站的信道带宽,单位是赫兹;
n0:信道背景噪声的频谱功率密度;
gib:移动用户i到基站的信道功率增益;
tmax:移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间,单位是秒;
通过引入一个辅助变量求解orrcm优化问题;
(2)orrcm问题表示如下:
orrcm:
s.t.constraint(1-1)
constraint(1-2)
variable:0≤t≤tmax
orrcm问题是在给定移动用户上传量
orrcm问题等价为orrcm-e问题,“e”表示的是等价地,如下:
定义移动用户i的函数hi(x)的表达式如下:
为了有效解决orrcm-e问题,引入一个新变量θ,通过使用变量θ,orrcm-e问题转化为d1问题如下:
d1:minθ
variable:θ
求解d1问题的思路是:设定θ的上限是一个足够大的数,设定θ的下限是0,通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值,该θ值要同时确保d1问题可行,d1问题可行是指:在给定θ值条件下,d1问题中约束条件(2-4),(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合;否则,d1问题为不可行,即在给定θ值条件下约束条件(2-4),(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集;
为了判断在给定θ值条件下d1问题是否可行,考虑如下d2问题:
d2:
variable:x
如果d2问题的最优值输出vθ≤0,则表示d1问题是可行的;否则,d1问题将是不可行的;
接着,定义函数g(x)如下:
因此,得到函数g(x)的一阶导数如下:
从表达式(2-10)中观察得出
首先,根据
接着,根据条件(2-3)和(2-7),得到关于变量x的表达式如下:
对(2-11)关于x求一阶导数,得到:
在这里,引入一个变量
i)如果
ii)如果
iii)如果
(3)求解d1问题的算法orrcm-algorithm,在d1问题中,设定θ的上限是一个足够大的数,设定θ的下限是0,通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值,该θ值要同时确保d1问题可行;通过求解d2问题,判断在给定θ值条件下d1问题是否可行:其中,如果d2问题的最优值输出vθ≤0,则表示d1问题是可行的,那通过对分方式减小当前θ值;否则,d1问题将是不可行的,那通过对分方式增加当前θ值;通过对分搜索不断更新当前θ值,直到vθ以设定的计算精度足够接近于0,算法最后输出的最优θ值,即确保d1问题可行的最小的θ值,它代表了orrcm问题的整体资源消耗(即上行传输时间与所有用户总能量消耗)的最小值,求解d1问题算法的orrcm-algorithm的步骤如下:
步骤3.1:输入计算精度∈orrcm=10-4,设定参数θuppbound=104,θlowbound=0;
步骤3.2:开始循环|θuppbound-θlowbound|>∈orrcm;
步骤3.3:设定
步骤3.4:利用对分搜索求解
步骤3.5:根据对函数qi(x)和
步骤3.6:设定
步骤3.7:如果xzero<xmin,设定x*,temp=xmin,转至执行步骤3.10;
步骤3.8:否则如果xzero≤xmax,设定x*,temp=xzero,转至执行步骤3.10;
步骤3.9:否则,xzero>xmax,设定x*,temp=xmax,转至执行步骤3.10;
步骤3.10:设定
步骤3.11:如果vθ≤0,设定θuppbound=θcur,同时设定x*=x*,temp,转至并执行步骤3.2;否则,设定θlowbound=θcur,同时设定xw=x*,temp,转至并执行步骤3.2;
步骤3.12:当|θuppbound-θlowbound|≤∈orrcm时,结束循环;
步骤3.13:输出θ*=θcur以及x*;
最后,算法orrcm-algorithm输出的θ*代表orrcm问题所求的最小整体无线资源消耗(包括上行传输时间与所有移动用户总能量消耗),orrcm问题中待求的最优上行传输时间t*表示为
本发明的技术构思为:首先,考虑在蜂窝无线网络中,移动用户通过非正交接入技术传输数据实现最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗来获得一定的经济效益和服务质量。在此处,考虑的前提是移动用户的上传能量消耗及上行传输时间的限制。接着,通过对问题的特性分析,将非凸问题等价转换成凸问题来求解。提出基于对分搜索的方法,从而在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下,实现最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗。
本发明的有益效果主要表现在:1、对于上行整体而言,利用非正交接入技术大大提高了系统传输效率;2、对于上行整体而言,利用非正交接入技术大大节省带宽资源;3、对于移动用户而言,通过非正交接入技术获得更优质的无线网络体验质量。
附图说明
图1是无线网络中多个移动用户和基站的上行场景示意图。
具体实施方式
下面结合附图对于本发明作进一步详细描述。
参照图1,一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法,实行该方法能在同时保证发送完成所有移动用户数据量的条件下,使得上行传输时间与所有移动用户总能量消耗最小化,提高整个系统的无线网络体验质量。本发明可以应用于无线网络,如图1所示场景中。针对该目标设计对问题的优化方法包括如下步骤:
(1)在基站的覆盖范围下总共有i个移动用户,移动用户用集合
在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下,最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题orrcm(overallradioresourceconsumptionminimization)问题,orrcm指的是整体无线资源消耗最小化:
orrcm:
0≤t≤tmax(1-3)
variables:t
下面将问题中的各个变量做一个说明,如下:
α:上行传输时间的权重因子;
β:上行传输总能量消耗的权重因子;
t:移动用户发送数据到基站的上行传输时间,单位是秒;
w:移动用户到基站的信道带宽,单位是赫兹;
n0:信道背景噪声的频谱功率密度;
gib:移动用户i到基站的信道功率增益;
tmax:移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间,单位是秒;
通过引入一个辅助变量求解orrcm优化问题;
(2)orrcm问题表示如下:
orrcm:
s.t.constraint(1-1)
constraint(1-2)
variable:0≤t≤tmax
orrcm问题是在给定移动用户上传量
orrcm问题等价为orrcm-e问题,“e”表示的是等价地,如下:
为了更方便的表达,定义移动用户i的函数hi(x)的表达式如下:
为了有效解决orrcm-e问题,引入一个新变量θ,通过使用变量θ,orrcm-e问题转化为d1问题如下:
d1:minθ
variable:θ
求解d1问题的思路是:设定θ的上限是一个足够大的数(例如,θ的上限是104),设定θ的下限是0,通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值,该θ值要同时确保d1问题可行;在这里,d1问题可行的意思是:在给定θ值条件下,d1问题中约束条件(2-4),(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合;否则,d1问题为不可行,即在给定θ值条件下约束条件(2-4),(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集;
为了判断在给定θ值条件下d1问题是否可行,考虑如下d2问题:
d2:
variable:x
如果d2问题的最优值输出vθ≤0,则表示d1问题是可行的;否则,d1问题将是不可行的;
接着,定义函数g(x)如下:
因此,得到函数g(x)的一阶导数如下:
从表达式(2-10)中观察得出
首先,根据
接着,根据条件(2-3)和(2-7),得到关于变量x的表达式如下:
对(2-11)关于x求一阶导数,得到:
在这里,引入一个变量
i)如果
ii)如果
iii)如果
(3)求解d1问题的算法orrcm-algorithm,在d1问题中,设定θ的上限是一个足够大的数(例如,θ的上限是104),设定θ的下限是0,通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值,该θ值要同时确保d1问题可行;通过求解d2问题,判断在给定θ值条件下d1问题是否可行:其中,如果d2问题的最优值输出vθ≤0,则表示d1问题是可行的,那通过对分方式减小当前θ值;否则,d1问题将是不可行的,那通过对分方式增加当前θ值;通过对分搜索不断更新当前θ值,直到vθ以设定的计算精度足够接近于0,算法最后输出的最优θ值(即确保d1问题可行的最小的θ值),它代表了orrcm问题的整体资源消耗(即上行传输时间与所有用户总能量消耗)的最小值,求解d1问题算法的orrcm-algorithm的步骤如下:
步骤3.1:输入计算精度∈orrcm=10-4,设定参数θuppbound=104,θlowbound=0;
步骤3.2:开始循环|θuppbound-θlowbound|>∈orrcm;
步骤3.3:设定
步骤3.4:利用对分搜索求解
步骤3.5:根据对函数qi(x)和
步骤3.6:设定
步骤3.7:如果xzero<xmin,设定x*,temp=xmin,转至执行步骤3.10;
步骤3.8:否则如果xzero≤xmax,设定x*,temp=xzero,转至执行步骤3.10;
步骤3.9:否则,xzero>xmax,设定x*,temp=xmax,转至执行步骤3.10;
步骤3.10:设定
步骤3.11:如果vθ≤0,设定θuppbound=θcur,同时设定x*=x*,temp,转至并执行步骤3.2;否则,设定θlowbound=θcur,同时设定x*=x*,temp,转至并执行步骤3.2;
步骤3.12:当|θuppbound-θlowbound|≤∈orrcm时,结束循环;
步骤3.13:输出θ*=θcur以及x*;
最后,算法orrcm-algorithm输出的θ*代表orrcm问题所求的最小整体无线资源消耗(包括上行传输时间与所有移动用户总能量消耗),orrcm问题中待求的最优上行传输时间t*表示为