專利名稱：基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)的宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)無法為室內(nèi)、熱點(diǎn)地區(qū)或中小企業(yè)用戶提供良好的覆蓋，這是因?yàn)?I) 4G/B4G系統(tǒng)載波頻率高于3G，路徑損耗增大。(2)移動用戶的數(shù)據(jù)速率需求呈指數(shù)形式增長。(3)大約70%的業(yè)務(wù)發(fā)生在室內(nèi)。為了解決宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的這一缺點(diǎn)，引入密集部署的低功率節(jié)點(diǎn)，形成Macro-Femto異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。這些低功率節(jié)點(diǎn)部署在室內(nèi)，拉近了天線與用戶之間的距離，降低了路徑損耗，能夠?yàn)橛脩籼峁└蟮膸捄透叩臄?shù)據(jù)速率。在傳統(tǒng)的分層協(xié)議棧架構(gòu)中，各層處理機(jī)制相互獨(dú)立，沒有相互合作優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)性能。跨層設(shè)計(jì)的基本思想是通過層與層之間參數(shù)的傳遞，相互協(xié)作，更有效、更公平、更合理的利用網(wǎng)絡(luò)資源，從而降低能耗，提升網(wǎng)絡(luò)性能。無線通信網(wǎng)絡(luò)的巨大能耗及其產(chǎn)生的環(huán)境問題使得通信業(yè)成為節(jié)能減排重點(diǎn)行業(yè)?；诳鐚釉O(shè)計(jì)的能耗最小化能夠降低網(wǎng)絡(luò)能耗，具有技術(shù)發(fā)展前景。在現(xiàn)有技術(shù)中，跨層設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于Macro-Femto異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)尚未見相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)或者檢索到相關(guān)專利。通過信息檢索，與本發(fā)明最相近的實(shí)現(xiàn)方案是將跨層設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)。此方案只考慮了網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層之間的聯(lián)合優(yōu)化。使用信噪比來刻畫用戶的數(shù)據(jù)速率，沒有考慮干擾，因此不適合真實(shí)網(wǎng)絡(luò)場景。用戶業(yè)務(wù)模型為時延敏感業(yè)務(wù)和時延不敏感業(yè)務(wù)?？紤]的業(yè)務(wù)模型不全面，沒有考慮盡力而為業(yè)務(wù)。現(xiàn)有技術(shù)方案中，每個用戶只能發(fā)起一種類型的業(yè)務(wù)，不符合實(shí)際通信情況。在實(shí)際通信中，每個用戶可以同時發(fā)起多種QoS不同的業(yè)務(wù)?，F(xiàn)有技術(shù)針對采用OFDM (orthogonalfrequency division multiplexing,正交頻分復(fù)用)傳輸技術(shù)的系統(tǒng)，沒有考慮采用 MIM0-0FDM(multiple input multiple output-orthogonal frequency divisionmultiplexing,多輸入多輸出-正交頻分復(fù)用)傳輸技術(shù)的系統(tǒng)，而MM0-0FDM傳輸技術(shù)是未來的技術(shù)發(fā)展趨勢?，F(xiàn)有的基于跨層的能耗最小化技術(shù)的缺點(diǎn)包括①只聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)層、MAC層、物理層，沒有考慮傳輸層和應(yīng)用層的要求。沒有充分利用層與層之間的信息交互，沒有最大化網(wǎng)絡(luò)性能的提升。②每個用戶只能發(fā)起一種QoS要求的業(yè)務(wù)，時延敏感業(yè)務(wù)或者時延不敏感業(yè)務(wù)。而實(shí)際通信中，每個用戶可以同時發(fā)起若干種QoS要求不同的業(yè)務(wù)，比如，話音、視頻、游戲、超文本傳輸協(xié)議和文件傳輸協(xié)議等。③沒有考慮干擾，將用戶的數(shù)據(jù)速率用信噪比來表征，不符合實(shí)際通信情況，得到的結(jié)果對工程指導(dǎo)意義受限。④只考慮宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)，沒有考慮異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)。而異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)是未來無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的趨勢。在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中，由于Macro與Femto之間的干擾以及Femto之間的干擾,使得跨層設(shè)計(jì)更具挑戰(zhàn)性。⑤只考慮了傳輸技術(shù)為OFDM的系統(tǒng)，而沒有考慮傳輸技術(shù)為MMO-OFDM的系統(tǒng)，而MIM0-0FDM傳輸技術(shù)是未來技術(shù)的發(fā)展趨勢
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于，提供一種基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法，將跨層設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于使用MMO-OFDM傳輸技術(shù)的Macro-Femto異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，考慮應(yīng)用層、傳輸層、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和物理層之間的聯(lián)合優(yōu)化，最小化系統(tǒng)能耗，同時保證各種業(yè)務(wù)的QoS要求。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的技術(shù)方案是，一種基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法包括步驟I :建立使異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小的數(shù)學(xué)模型并確定相應(yīng)的約束條件；設(shè)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中有M個宏基站，每個宏小區(qū)有Km個用戶，每個宏小區(qū)的用戶構(gòu)
成的集合為n 9 ^,異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中所有宏小區(qū)用戶構(gòu)成的集合為，
權(quán)利要求
1.一種基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法，其特征在于所述方法包括 步驟I:建立使異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小的數(shù)學(xué)模型并確定相應(yīng)的約束條件； 設(shè)異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中有M個宏基站，每個宏小區(qū)有Km個用戶，每個宏小區(qū)的用戶構(gòu)成_ M的集合為n 9 r x異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中所有宏小區(qū)用戶構(gòu)成的集合為I = Ut，每個宏基站的發(fā)送天線的數(shù)量為~ m= 1，2，...，M，所有宏基站構(gòu)成的集合為宏基站集合M，異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的資源塊的個數(shù)為J，異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中有F個毫微微基站，每個毫微微小區(qū)有Kf個用戶，每個毫微微小區(qū)的用戶構(gòu)成的集合為€ = {1,2,...,^^}，異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)中所有毫微微小區(qū)用戶構(gòu)成的集合為F = CjIf，毫微微基站f的發(fā)送天線的數(shù)量為Λ , f = /=11,2,..., F，所有毫微微基站構(gòu)成的集合為毫微微基站集合F ,則使異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小的數(shù)學(xué)模型為 (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為宏小區(qū)資源塊分配指示符，當(dāng)宏基站m使用資源塊j與宏小區(qū)用戶k通 時，am, k, j = I，否則 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 為宏小區(qū)資源塊分配方案； Pffl, j, 為宏基站m分配給發(fā)送天線η的資源塊j的功率，pffl, j, n為非負(fù)實(shí)數(shù)且其最大值不超過宏基站m的發(fā)送天線所傳輸?shù)淖畲蠊β蔖m,_ ； Pm = \Pm,},n I ^==, Pm 為宏小區(qū)的功率分配方案； bf, k, , j為毫微微小區(qū)資源塊分配指示符，當(dāng)毫微微基站f使用資源塊j與毫微微小區(qū)用戶k'通信時，bf, k,,」=I，否則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 為毫微微小區(qū)資源塊分配方案； Pf,JU為毫微微基站f分配給發(fā)送天線I資源塊j的功率，pf,u為非負(fù)實(shí)數(shù)且其最大值不超過第f個毫微微基站的發(fā)送天線所傳輸?shù)淖畲蠊β蔖f,_ ； Pf={pfjJ\pLjJ ^
且Bnblu為實(shí)數(shù)； 宏小區(qū)資源塊分配約束為;1=1毫微微小區(qū)功率約束為0 ( Pfjjjl ( Ptmax ； 毫微微小區(qū)資源塊分配指示符線性約束為bf，k, ,j e (O, I]且&,, ,j為實(shí)數(shù)； 毫微微小區(qū)資源塊分配約束為知口,1 ； MAC層對實(shí)時業(yè)務(wù)的時延約束采用物理層參數(shù)表征，具體為 為宏小區(qū)的第k個用戶的實(shí)時業(yè)務(wù)在資源塊j上的數(shù)據(jù)傳輸速率，芯為宏小區(qū)的第k個用戶的實(shí)時業(yè)務(wù)隊(duì)列頭分組正確傳輸時的最大長度，TTI為傳輸時間間隔； MAC層對非實(shí)時業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)速率約束為二 >C 為非實(shí)時業(yè)務(wù)的數(shù)據(jù)傳輸速率，Cl為非實(shí)時業(yè)務(wù)的最小數(shù)據(jù)速率需求； 網(wǎng)絡(luò)層約束為-.q^+qT <rkxTTI，<為宏小區(qū)的第k個用戶的實(shí)時業(yè)務(wù)在當(dāng)前傳輸時間間隔內(nèi)必需傳輸?shù)年?duì)列長度,9Γ為宏小區(qū)的第k個用戶的非實(shí)時業(yè)務(wù)在當(dāng)前傳輸時間間隔內(nèi)必需傳輸?shù)年?duì)列長度，rk為宏小區(qū)的第k個用戶的容量； 傳輸層約束為PdMp ( PER, Pdrop為分組丟失概率，Pdrop ( PER為誤包率要求； 步驟2 :確定求得所述數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解的拉格朗日函數(shù)，包括
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算拉格朗日乘子和ξ,的最優(yōu)解(aj*和(ξ,Γ具體是 步驟A :設(shè)定的初始值為(Bu)tl，利用二分搜索算法來獲得1,的初始值，再利用弦割法求得€,的最優(yōu)解(ξ,Γ; 步驟B :再利用二分搜索算法來獲得a+n的最優(yōu)解(a^r。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其特征在于，所述計(jì)算拉格朗日乘子a'u和k,的最優(yōu)解(a' Μ) Ρ(ξ' k,廣具體是 步驟A’ 設(shè)定a, u的初始值為(a' 口)。，利用二分搜索算法來獲得ξ ' k,的初始值，再利用弦割法求得ξ ’ k,的最優(yōu)解(ξ ' k, )*; 步驟B’ 再利用二分搜索算法來獲得a, u的最優(yōu)解(a' u)'
全文摘要
本發(fā)明公開了無線通信技術(shù)領(lǐng)域中的一種基于跨層設(shè)計(jì)的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小設(shè)計(jì)方法。包括，建立使異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)能耗最小的數(shù)學(xué)模型并確定相應(yīng)的約束條件；確定求得所述數(shù)學(xué)模型的最優(yōu)解的拉格朗日函數(shù)；計(jì)算拉格朗日乘子的最優(yōu)解；更新宏小區(qū)和毫微微小區(qū)資源塊分配指示符；根據(jù)拉格朗日乘子的最優(yōu)解和更新后的宏小區(qū)及毫微微小區(qū)資源塊分配指示符計(jì)算宏小區(qū)和毫微微小區(qū)功率分配的最優(yōu)解；分別根據(jù)宏小區(qū)和毫微微小區(qū)功率分配的最優(yōu)解，更新每個宏基站和毫微微基站分配給其各個發(fā)送天線的各個資源塊的功率。本發(fā)明將跨層設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，考慮各層之間的聯(lián)合優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)能耗的最小化，同時保證了各種業(yè)務(wù)的QoS要求。
文檔編號H04W52/02GK102970734SQ20121043361
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月2日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月2日
發(fā)明者張秀寧, 徐少毅, 談?wù)褫x, 陶成 申請人:北京交通大學(xué)