[发明专利]基于5G网络中D2D辅助的智能变电站通信无线资源分配方法

权利要求书

1.一种基于5G网络中D2D辅助的智能变电站通信无线资源分配方法，其特征是按如下步骤进行：

步骤一、构建上行网络环境；

所述上行网络环境中包含：|M|个传感器所组成的传感器集合M、|H|个边缘网关所组成的边缘网关集合H、|C|个巡检机器人所组成的巡检机器人集合C和1个5G无线专网基站；其中，所述传感器集合M中任意一个当前活动的传感器记为m，所述边缘网关集合H中任意一个当前活动的边缘网关记为h，所述巡检机器人集合C中任意一个当前活动的巡检机器人记为c，定义S为5G网络上行链路中所使用的信道集合，其中任意一个信道记为s；定义U＝C∪H为上行信道所有活跃用户集合，其中任意一个活跃用户记为u；

步骤二、假设每个传感器只能与一个边缘网关相连，构造最优簇划分算法，对传感器集合M进行簇划分；

步骤2.1、利用式(2)建立边缘网关h的位置l_h：

式(1)中，l_c表示5G无线专网基站的二维位置；l_m表示传感器m的二维位置；y_h,m表示传感器m与边缘网关h是否相连，若y_h,m＝1，则表示相连，否则，表示不相连；

步骤2.2、利用式(3)建立边缘网关h的最大相连约束：

式(3)中，表示边缘网关h连接的最大传感器数量；

步骤2.3、构造最优簇划分算法：

步骤2.3.1、将所选择的传感器与具有最高信道增益的边缘网关相连接；

步骤2.3.2、根据式(2)确定所连接的边缘网关的位置；

步骤2.3.3、利用式(3)验证所连接的边缘网关的最大相连约束是否成立；若成立，则执行步骤2.3.4，否则，则将传感器重新与具有次高信道增益的边缘网关相连后，返回执行步骤2.3.2；

步骤2.3.4、对传感器集合M中其余未连接边缘网关的传感器按照步骤2.3.1顺序执行，直到所有边缘网关完成对|M|个传感器的连接，从而输出最终的连接结果并作为簇划分结果；

步骤三、利用式(1)对传感器m、边缘网关h和巡检机器人c进行初始的等功率分配；

式(1)中，为活跃用户u在信道s上的平均传输功率；P_u为活跃用户u的总传输功率；|S|为上行链路中所使用的总信道数量；为传感器m在信道s上的平均传输功率；P_m为传感器m的总传输功率；

步骤四、构造传感器信道分配算法、边缘网关信道分配算法和巡检机器人信道分配算法，并进行迭代分配，直至所有传感器，边缘网关和巡检机器人的信道分配过程收敛为止，从而得到传感器信道分配方案、边缘网关信道分配方案和巡检机器人信道分配方案；

步骤4.1、构造传感器信道分配算法：

步骤4.1.1、计算所有信道上每个传感器的吞吐量，并将传感器吞吐量值存储在|M|×|S|维的传感器信道矩阵中；

步骤4.1.2、在传感器信道矩阵中找到吞吐量值最大的元素(m_max,s_max)，并将信道s_max分配给传感器m_max；

步骤4.1.3、移除传感器信道矩阵中的第m_max行和第s_max列，从而将|M|×|S|维的传感器信道矩阵转换为|M-1|×|S-1|维的传感器信道矩阵；

步骤4.1.4、转入步骤4.1.2，直至所述传感器信道矩阵变成0×0维的矩阵；

步骤4.2、构造边缘网关信道分配算法：

步骤4.2.1、计算所有信道上每个边缘网关的吞吐量，并将边缘网关吞吐量值存储在|H|×|S|维的边缘网关信道矩阵中；

步骤4.2.2、在边缘网关信道矩阵中找到边缘网关吞吐量值最大的元素(h_max,s_max)，并将信道s_max分配给边缘网关h_max；

步骤4.2.3、将当前边缘网关h_max的累积吞吐量增加(h_max,s_max)所对应的元素值；

步骤4.2.4、移边除边缘网关信道矩阵中第s_max列，将|H|×|S|维的边缘网关信道矩阵转换为|H|×|S-1|维的边缘网关信道矩阵；

步骤4.2.5、若边缘网关h_max的总吞吐量大于或等于其所需吞吐量，则移除缘网关信道矩阵中第h_max行，将|H|×|S-1|维的边缘网关信道矩阵转换为|H-1|×|S-1|维的边缘网关信道矩阵；否则，保留|H|×|S-1|维的边缘网关信道矩阵；

步骤4.2.6、转入步骤4.2.2，直至所述边缘网关信道矩阵变成0×0维的矩阵；

步骤4.3、判断是否还有空闲信道未被分配，若是，则利用式(4)对巡检机器人分配信道，否则，表示完成巡检机器人的信道分配：

式(4)中，为0-1变量，表示信道s是否被分配给活跃用户u；表示活跃用户u在信道s上传输的吞吐量；S′表示当前剩余空闲信道；

步骤五、在各个信道分配方案下，分别对传感器、边缘网关和巡检机器人的初始的等功率分配进行改进，即以上行传输过程的吞吐量的最大值为目标函数，并根据功率控制和不同服务质量下吞吐量要求建立一系列约束条件，从而构成最优功率分配模型；

步骤5.1、利用式(5)建立目标函数：

式(5)中，和为求解变量，分别表示活跃用户u在信道s上的传输功率和传感器m在信道s上的传输功率；w表示每个信道的带宽；为用户u与5G无线专网基站之间通过信道s的信道增益；为传感器m与5G无线专网基站之间通过信道s的信道增益；σ为加性高斯白噪声；

步骤5.2、利用式(6)-式(9)建立一系列约束条件：

式(6)-式(9)中，S_u和S_m分别表示分配给用户u和传感器m的信道集合；表示信道s上传感器m与边缘网关h之间的信道增益；表示信道s上活跃用户u与边缘网关h之间的信道增益；表示支持用户u所需的吞吐量；表示支持传感器m所需的吞吐量；

步骤六、采用CPLEX求解器对最优功率分配模型进行求解，从而得到最优无线资源分配方案。