本發(fā)明屬于移動(dòng)通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化的資源分配方法。

背景技術(shù)：

異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合作為未來無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的必然趨勢，是用戶業(yè)務(wù)、市場需求和技術(shù)演進(jìn)的必然結(jié)果。它不僅能夠充分利用異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)之間的互補(bǔ)優(yōu)勢，向用戶提供豐富的業(yè)務(wù)應(yīng)用和最佳的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，而且將給運(yùn)營商的網(wǎng)絡(luò)部署和運(yùn)營帶來廣闊的市場前景和巨大的市場潛力。然而未來無線通信系統(tǒng)的發(fā)展趨勢并不是建設(shè)一個(gè)全新具備各種完善功能的網(wǎng)絡(luò)，而是考慮在多種異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)間相互協(xié)調(diào)和集成的需求。異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)目標(biāo)是對(duì)異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行資源整合，最終實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)性能的提升。

隨著業(yè)務(wù)類型的不斷豐富和應(yīng)用需求的快速增長，特別是高帶寬需求的業(yè)務(wù)涌現(xiàn)，人們對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)中資源的需求越來越大，日益增長的資源需求和有限的網(wǎng)絡(luò)資源供給之間的矛盾已成為制約無線通信發(fā)展的主要因素之一。由此，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)資源的合理、高效利用是異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)融合亟待解決的技術(shù)挑戰(zhàn)之一。在復(fù)雜多變的異構(gòu)融合網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中，由于網(wǎng)絡(luò)中基站設(shè)備消耗能量巨大，除了網(wǎng)絡(luò)資源的高效利用以及用戶業(yè)務(wù)QoS(Quality of Service)保證以外，如何在滿足用戶業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)那疤嵯掠行Ы档彤悩?gòu)網(wǎng)絡(luò)中的能量消耗、提高網(wǎng)絡(luò)能效，這也是當(dāng)前異構(gòu)無線網(wǎng)絡(luò)在服務(wù)用戶所面臨的關(guān)鍵挑戰(zhàn)之一。

綜上所述，在有限的網(wǎng)絡(luò)資源供給上合理的分配資源實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)能效的最大化是無線資源管理(RRM,Radio Resource Management)的主要目標(biāo)，本發(fā)明提出了一種基于基站最大傳輸功率和傳輸速率比例公平限制，能夠有效的提高網(wǎng)絡(luò)能效、保障用戶服務(wù)需求的資源分配方案。這對(duì)增加網(wǎng)絡(luò)的整體性能將具有十分重要的意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化的資源分配方法，該方法在分配的過程中考慮了基站最大傳輸功率和傳輸速率比例公平限制條件，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效確定最優(yōu)信道分配、功率分配方案和基站開關(guān)模式，該方法在提升網(wǎng)絡(luò)能效的同時(shí)合理的分配信道和功率給每個(gè)用戶。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供如下技術(shù)方案：

一種蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化的資源分配方法，該方法根據(jù)蜂窩異構(gòu)網(wǎng)的特性，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的小區(qū)選擇方案、信道分配方案、功率分配方案和基站開關(guān)模式，該方法包括以下步驟：

S1：基于負(fù)載均衡確定用戶和小區(qū)基站最優(yōu)選擇方案；

S2：建模信道選擇函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合能效；

S3：確定信道分配方案；

S4：結(jié)合信道分配方案，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效確定最優(yōu)的功率分配方案和基站開關(guān)模式。

進(jìn)一步，在步驟S1中，建模蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)有K個(gè)用戶，N個(gè)信道和M個(gè)不同類型的基站，并初始化基站為全開模式；建模接入因子用來表示用戶k成功接入基站m的概率，其中L_m表示基站m當(dāng)前所服務(wù)的用戶數(shù)，L_{m_max}表示基站m的最大服務(wù)用戶數(shù)，L_{m_sim}表示基站m在一個(gè)傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval,TTI)中能同時(shí)服務(wù)的最多用戶數(shù)；

建模綜合效用函數(shù)其中表示用戶k接入基站m的能量效率，P_m是基站m的最大傳輸功率，是用戶k接入基站m可獲得的信干噪比；用戶在保證自己的最低服務(wù)需求下根據(jù)依次選擇服務(wù)小區(qū)；

在完成用戶與基站的匹配問題后建模信道增益h_k,n,m＝g_k,n,mL_k,m(1≤k≤K，1≤n≤N，1≤m≤M)表示用戶k屬于基站m并占用信道n的信道頻率響應(yīng)，其中g(shù)_k,n,m表示無線信道的小尺度衰落并服從瑞利分布，L_k,m表示大尺度衰落，主要取決于用戶與基站間的距離。

進(jìn)一步，在步驟S2中，建模信道選擇模型：假設(shè)同一基站下的用戶選擇不同的信道進(jìn)行傳輸，而不同基站下的用戶是可以選擇同一信道進(jìn)行傳輸?shù)模詫儆谕换鞠碌挠脩糸g不存在干擾，且屬于基站m的用戶k在信道n上傳輸時(shí)會(huì)受到來自除基站m外其它所有基站下占用信道n的用戶干擾，即其中κ表示所有用戶的集合，ε_m表示屬于基站m的所有用戶的集合，B表示所有基站的集合，k'表示集合κ中除接入基站m下的其他所有用戶，m'表示集合B中除基站m外的所有基站；建模信道選擇函數(shù)σ²為傳輸信道噪聲功率。

進(jìn)一步，在步驟S2中，建模網(wǎng)絡(luò)能效為網(wǎng)絡(luò)中用戶速率總和與其總功率消耗之比，即其中R是所有用戶的速率總和，即傳輸功率P_c是恒定電路損耗；

信道選擇指數(shù)x_k,n,m＝1表示用戶k屬于基站m并占用信道n進(jìn)行傳輸，反之，x_k,n,m＝0。所以網(wǎng)絡(luò)能效，即目標(biāo)函數(shù)表示為

進(jìn)一步，在步驟S3中，以基站為單位分配信道，對(duì)于屬于基站m上的用戶k根據(jù)計(jì)算出它若占用每個(gè)信道的信道選擇函數(shù)值的集合再根據(jù)用戶依次選擇信道；若屬于基站m的所有用戶都完成了一次信道選擇后還有剩余信道未被選擇，此時(shí)讓服務(wù)需求高的用戶優(yōu)先選擇剩余信道直至所有的信道都被分完為止。

進(jìn)一步，在步驟S4中，完成信道分配后，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效來確定功率分配方案，由于一個(gè)用戶可以占用多個(gè)信道，所以最優(yōu)功率分配方案是以信道為單位完成的，即確定用戶在所分配的每一個(gè)信道下可分得的最優(yōu)功率。

本發(fā)明的有益效果在于：本發(fā)明所述方法不僅可以有效的保障蜂窩異構(gòu)網(wǎng)中不同類型基站下的負(fù)載均衡，而且聯(lián)合最大化網(wǎng)絡(luò)能效實(shí)現(xiàn)了最優(yōu)的信道分配方案、功率分配方案和基站開關(guān)模式，進(jìn)而提升整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的傳輸性能。

附圖說明

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果更加清楚，本發(fā)明提供如下附圖進(jìn)行說明：

圖1為蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)場景示意圖；

圖2為信道分配示意圖；

圖3為本發(fā)明所述方法的流程示意圖。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

本發(fā)明所述的異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)的小區(qū)選擇機(jī)制在保證了用戶的傳輸要求下，通過構(gòu)造接入因子來控制用戶成功接入基站的概率從而實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡以，同時(shí)提高整體網(wǎng)絡(luò)的能量效率?；谝汛_定的用戶聯(lián)合小區(qū)選擇方案，受限于基站的最大傳輸功率和傳輸速率比例公平的條件，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效實(shí)現(xiàn)合理的信道分配和功率分配方案，并通過依次關(guān)閉能效最低的基站，觀察此模式下的網(wǎng)絡(luò)能效的變化情況確定最優(yōu)的基站開關(guān)模型。

圖1為一個(gè)典型的異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)示意圖，異構(gòu)網(wǎng)中的每個(gè)服務(wù)小區(qū)公用信道N，一個(gè)用戶最多只能接入一個(gè)基站，當(dāng)某個(gè)基站被關(guān)閉后，在更新后的開關(guān)模式下用戶重新選擇服務(wù)小區(qū)并更新資源分配方案。

圖2是信道分配示意圖，用戶{UEi,...,UEk}是屬于基站1的用戶集合，信道{Ci,Cj,...,Cn}是用戶UEi所占用的信道集合。

圖3是基于異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)能效最大化的資源分配方案的流程圖，該方法包括以下步驟：1)基于負(fù)載均衡確定用戶和小區(qū)基站最優(yōu)選擇方案；2)建模信道選擇函數(shù)與網(wǎng)絡(luò)聯(lián)合能效；3)確定信道分配方案；4)結(jié)合信道分配方案，聯(lián)合優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效確定最優(yōu)的功率分配方案和基站開關(guān)模式。

具體技術(shù)方案如下：

在進(jìn)行資源分配之前，初始化基站為全開模式。

在步驟1)中，由于蜂窩異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中不同類型基站的發(fā)射功率、覆蓋范圍、所能夠服務(wù)的最大用戶數(shù)各不相同，本發(fā)明把某種類型的基站m所服務(wù)的用戶數(shù)叫做該基站的負(fù)載L_m，而一個(gè)基站的最大負(fù)載(最多能服務(wù)的用戶數(shù))，不僅與該基站的最大傳輸資源數(shù)有關(guān)，還與這個(gè)基站的調(diào)度方法有關(guān)。用L_{m_sim}來表示基站m在一個(gè)傳輸時(shí)間間隔(Transmission Time Interval,TTI)中能同時(shí)服務(wù)的最多用戶數(shù)。每個(gè)TTI在LTE網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于兩個(gè)時(shí)隙，所占時(shí)間長度為1ms。當(dāng)基站的負(fù)載滿足L_m＞L_{m_sim}時(shí)，不能確定該基站一定超載，因?yàn)榭梢圆捎媚撤N合適的調(diào)度方法使得用戶在下一個(gè)TTI獲得服務(wù)，本發(fā)明采用輪詢調(diào)度法(Round Robin Scheduling)。根據(jù)對(duì)未來網(wǎng)絡(luò)提出的“零”時(shí)延要求，設(shè)備到設(shè)備間的時(shí)延必須限制在1ms范圍內(nèi)，所以在輪詢調(diào)度法下，一個(gè)基站能夠服務(wù)的最大用戶數(shù)(最大負(fù)載)L_{m_max}正好是其一個(gè)TTI中可以服務(wù)的用戶數(shù)的兩倍，即L_{m_max}＝2L_{m_sim}。所以當(dāng)L_m＞L_{m_max}時(shí)，稱基站m過載，當(dāng)L_m＝L_{m_max}時(shí)，稱基站m滿載。進(jìn)而構(gòu)造接入因子用來表示用戶k成功接入基站m的概率。

網(wǎng)絡(luò)中的任意一個(gè)用戶k接入基站m能達(dá)到的SINR值用來表示，其中m'是集合中除m外的所有基站，P_m是基站m的最大傳輸功率。所以構(gòu)造用來表示用戶k接入基站m的能量效率，進(jìn)而建模綜合效用函數(shù)

為了保證用戶的最低服務(wù)需求，構(gòu)造為用戶k的備選小區(qū)列表并定義其列表中基站的個(gè)數(shù)為用戶k的自由度，進(jìn)而讓自由度較小的用戶優(yōu)先選擇其小區(qū)列表中的基站并根據(jù)確定能夠使其能效值最大的基站作為其服務(wù)基站。用戶每完成一次選擇后更新基站的當(dāng)前負(fù)載與小區(qū)列表。

在步驟2)中建模信道選擇函數(shù)前，先建模信道增益h_k,n,m＝g_k,n,mL_k,n,m表示用戶k屬于基站m占用信道n的信道頻率響應(yīng)?；诒景l(fā)明所建模的信道選擇模型用戶k在信道n上的干擾可以表示為其中κ表示所有用戶的集合，ε_m表示屬于基站m的所有用戶的集合，B表示所有基站的集合，k'表示集合κ中除接入基站m下的其他所有用戶，m'表示集合B中除基站m外的所有基站。故有信道選擇函數(shù)

建模網(wǎng)絡(luò)能效為網(wǎng)絡(luò)中用戶的總速率和與其總功率消耗之比，即其中R是所有用戶的速率總和，即是傳輸功率，P_c是恒定電路損耗。因?yàn)楸景l(fā)明中采用x_k,n,m＝1表示用戶k屬于基站m并占用信道n，反之，x_k,n,m＝0。故網(wǎng)絡(luò)中用戶的速率總和可以表示為：傳輸功率P_t可以表示為：網(wǎng)絡(luò)能效可以表示為：

在完成信道選擇函數(shù)建模和網(wǎng)絡(luò)能效建模后，要基于網(wǎng)絡(luò)能效最大化實(shí)現(xiàn)聯(lián)合分配信道和功率是一個(gè)非凸的非線性組合優(yōu)化問題，求解較復(fù)雜。因此本發(fā)明通過設(shè)計(jì)步驟3)和步驟4)來得到一個(gè)低復(fù)雜度的次優(yōu)解。

在步驟3)中先假設(shè)每個(gè)信道的功率是平均分配的，即基站依次分配信道給自己的用戶集，用戶集中的用戶再依次根據(jù)所建模的信道選擇函數(shù)可計(jì)算出屬于基站m的用戶k若占用每個(gè)信道所對(duì)應(yīng)的函數(shù)值集合H＝[H_k,1,m,H_k,2,m,...,H_k,N,m]，用戶k再根據(jù)選擇能夠使其信道選擇函數(shù)值最大的信道n作為其最優(yōu)信道并記x_k,n,m＝1且N^*＝N-{n}，其中N表示所有信道的集合，N^*表示未被分配的信道集合。若基站m下的所有用戶都完成了一次信道選擇后，此時(shí)N^*為非空，則讓用服務(wù)需求較大的用戶優(yōu)先選擇剩余信道，重復(fù)以上步驟直至N個(gè)信道都被分配完為止。

在步驟4)中由于基站的最大傳輸功率限制，即和傳輸速率比例公平限制，即本發(fā)明在分配功率時(shí)考慮了如何在保證以上兩個(gè)限制條件下實(shí)現(xiàn)使得網(wǎng)絡(luò)能效達(dá)到最大的功率分配方案。

基于本發(fā)明所建模的能效在確定了信道分配方案后可簡化為通過非線性分式規(guī)則把它寫成等價(jià)的線性表達(dá)式可得：令當(dāng)且僅當(dāng)F(q^*)＝0與f(q^*)＝p^*時(shí)η與h(p,q)是等價(jià)的。

利用能效η的等價(jià)函數(shù)和以上兩個(gè)限制條件構(gòu)建拉格朗日函數(shù)：

其中P_c是用戶1的所屬基站功率，P_d是用戶k的所屬基站功率。λ_m和γ_k分別表示基站和用戶所對(duì)應(yīng)的兩組拉格朗日因子。

根據(jù)拉格朗日求解法有，當(dāng)k＝1時(shí)，

其中λ_c表示用戶1的所屬基站所對(duì)應(yīng)的拉格朗日因子。

當(dāng)k≥2時(shí)，其中λ_d表示用戶k的所屬基站所對(duì)應(yīng)的拉格朗日因子。

進(jìn)一步利用次梯度求解法，依據(jù)：

更新拉格朗日因子，其中τ⁽ⁱ⁾，ν⁽ⁱ⁾表示迭代步長取值為足夠小的正整數(shù)。

根據(jù)以上所解的p_k,n,m可計(jì)算的值。

迭代更新求解功率p_k,n,m和拉格朗日因子λ_m與γ_k直至算法收斂，而此時(shí)的p_k,n,m和q分別是基站在全開模式下所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)功率分配方案和網(wǎng)絡(luò)的最大能效值。

此時(shí)完成了基站在此模式下的資源分配方案，并通過：

可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)基站的能效值，選擇能效最低的基站關(guān)閉并更新基站的開關(guān)模式。

在新的基站開關(guān)模式下重復(fù)執(zhí)行以上的步驟1)至步驟4)并觀察網(wǎng)絡(luò)能效值q的變化，在保證網(wǎng)絡(luò)中斷概率(定義網(wǎng)絡(luò)中發(fā)生中斷的用戶數(shù)與總用戶數(shù)之比)的需求下依次關(guān)閉基站且當(dāng)q的值出現(xiàn)先增后減，即網(wǎng)絡(luò)能效不再提高時(shí)停止關(guān)閉基站。而所返回的上一次基站開關(guān)模式即為最優(yōu)模式，而此模式下的資源分配方案也是使網(wǎng)絡(luò)能效值最大的資源分配方案。

最后說明的是，以上優(yōu)選實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制，盡管通過上述優(yōu)選實(shí)施例已經(jīng)對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的描述，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以在形式上和細(xì)節(jié)上對(duì)其做出各種各樣的改變，而不偏離本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍。