[发明专利]基于跨层设计的异构融合网络能耗最小设计方法

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。

主权项

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1：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K_m个用户，每个宏小区的用户构成的集合为异构融合网络中所有宏小区用户构成的集合为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K_f个用户，每个毫微微小区的用户构成的集合为异构融合网络中所有毫微微小区用户构成的集合为毫微微基站f的发送天线的数量为f＝1,2,...,F，所有毫微微基站构成的集合为毫微微基站集合则使异构融合网络能耗最小的数学模型为：minA,B,Pm,Pf(Σm=1MΣk=1KmΣj=1Jam,k,jΣn=1Ntmpm,j,n+Σf=1FΣk′=1KfΣj=1Jbf,k′,jΣl=1Ntfpf,j,l);]]>其中，a_m，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通信时，a_m，k，j＝1，否则a_m，k,j＝0；A＝{a_m，k，j|a_m，k，j∈{0,1};m＝1,2,...,M;k＝1,2,...,K_m;j＝1,2,...,J}，A为宏小区资源块分配方案；p_m，j，n为宏基站m分配给发送天线n的资源块j的功率，p_m，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P_m，max；Pm={pm,j,n|pm,j,n∈[0,Pm,max];j=1,2,...,J;n=1,2,...,Ntm},]]>P_m为宏小区的功率分配方案；b_f，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，b_f，k′，j＝1，否则b_f，k′,j＝0；B＝{b_f，k′，j|b_f，k′，j∈{0,1};f＝1,2,...,F;k′＝1,2,...,K_f;j＝1,2,...,J}，B为毫微微小区资源块分配方案；p_f，j,l为毫微微基站f分配给发送天线l资源块j的功率，p_f，j,l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P_f，max；Pf={pf,j,l|pf,j,l∈[0,Pf,max];j=1,2,...,J;l=1,2,...,Ntf},]]>P_f为毫微微小区的功率分配方案；所述相应的约束条件为：宏小区功率约束、宏小区资源块分配指示符线性约束、宏小区资源块分配约束、毫微微小区功率约束、毫微微小区资源块分配指示符线性约束、毫微微小区资源块分配约束、MAC层对实时业务的时延约束、MAC层对非实时业务的数据速率约束、网络层约束和传输层约束；其中：宏小区功率约束为：0≤p_m,j，n≤P_m,max；宏小区资源块分配指示符线性约束为：a_m，k，j∈(0,1]且a_m，k,j为实数；宏小区资源块分配约束为：毫微微小区功率约束为：0≤p_f，j，l≤P_f,max；毫微微小区资源块分配指示符线性约束为：b_f,k′，j∈(0,1]且b_f，k′,j为实数；毫微微小区资源块分配约束为：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，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：为非实时业务的数据传输速率，为非实时业务的最小数据速率需求；网络层约束为：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，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，r_k为宏小区的第k个用户的容量；传输层约束为：P_drop≤PER，P_drop为分组丢失概率，P_drop≤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：L=Σk=1KmΣj=1Jam,k,jΣn=1Ntmpm,j,n-Σj=1JΣn=1Ntmaj,n(pm,j,n-Pm,max)-Σj=1Jβj(Σk∈Km‾am,k,j-1)+Σk=1Kmξk(rk-rQoS)]]>和L′=Σk′=1KfΣj=1Jbf,k′,jΣl=1Ntfpf,j,l-Σj=1JΣl=1Ntfaj,l′(pf,j,l-Pf,max)-Σj=1Jβj′(Σk′∈Kf‾bf,k′,j-1)+Σk′=1Kfξk′′(rk′-rQoS′),]]>其中a_j,n、β＝[β₁,β₂,...,β_J]^T、a′_j，l、β′＝[β′₁,β′₂,...,β′_J]^T和分别为拉格朗日乘子，r_QoS为满足QoS要求的数据传输速率且r′_QoS为满足QoS要求的数据传输速率且w_rt和w_nrt分别为实时业务和非实时业务的优先级，r_k′为毫微微小区的第k′个用户的容量，为毫微微小区的第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；步骤3：计算拉格朗日乘子a_j，n、ξ_k、a′_j,l和ξ′_k′的最优解(a_j，n)^*、(ξ_k)^*、(a′_j，l)^*和(ξ′_k′)^*；步骤4：更新宏小区资源块分配指示符和毫微微小区资源块分配指示符；更新宏小区资源块分配指示符是在所有宏小区用户构成的集合中选取一个用户k，使得该用户k满足在任意资源块j上的数据传输速率r_k,j的值最大，用k^*表示此用户，将资源块集合中的第j个资源块分配给用户k^*，同时，更新宏小区资源块分配指示符a_m，k，j，即当k＝k^*时，a_m，k，j＝1，否则a_m，k，j＝0；依照此种方式将资源块集合中的所有资源块分配给相应用户并更新相应的宏小区资源块分配指示符；更新后的宏小区资源块分配指示符用(a_m，k，j)^*表示；更新毫微微小区资源块分配指示符是在所有毫微微小区用户构成的集合中选取一个用户k′，使得该用户k′满足在任意资源块j上的数据传输速率r_k′，j的值最大，用(k′)^*表示此用户，将资源块集合中的第j个资源块分配给用户(k′)^*，同时，更新毫微微小区资源块分配指示符b_f，k′，j，即当k′＝(k′)^*时，b_f，k′，j＝1，否则b_f，k′，j＝0；依照此种方式将所有资源块分配给相应的毫微微小区用户并更新相应的毫微微小区资源块分配指示符；更新后的毫微微小区资源块分配指示符用(b_f，k′,j)^*表示；步骤5：根据拉格朗日乘子的最优解(a_j，n)^*和(ξ_k)^*，以及更新后的宏小区资源块分配指示符(a_m，k,j)^*，利用公式计算宏小区功率分配的最优解(p_m，j,n)^*；根据拉格朗日乘子的最优解(a′_j,l)*和(ξ′_k′)^*，以及更新后的毫微微小区资源块分配指示符(b_f，k′，j)^*，利用公式计算毫微微小区功率分配的最优解(p_f，j,l)^*；其中，B_RB为每个资源块的带宽，σ²为加性高斯白噪声的功率，I为宏小区基站和与之相邻的宏小区基站或毫微微基站之间的下行链路同信道干扰，为矩阵H_m的各列，H_m指示宏小区基站m与宏小区用户k之间的信道矩阵，I′为相邻宏小区基站和毫微微小区基站产生的同信道干扰，为矩阵H_f的各列，H_f指示毫微微小区基站f与毫微微小区用户k′之间的信道矩阵；步骤6：分别根据宏小区功率分配的最优解(p_m，j，n)^*和毫微微小区功率分配的最优解(p_f，j,l)^*，更新每个宏基站分配给其各个发送天线的各个资源块的功率以及每个毫微微基站分配给其各个发送天线的各个资源块的功率，在下一个传输时间间隔TTI，返回步骤3。