[发明专利]一种基于用户空间情境信息的低能耗传输方法

摘要

本发明公开了一种基于用户空间情境信息的低能耗传输方法，包括以下几个步骤：步骤一：获取各时隙的接收端等价平均信噪比；步骤二：获取对各时隙用户接收数据量的均值和方差，进行近似的辅助变量l的值；步骤三：采用标准凸优化算法求解优化问题，可以采用次优表达式辅助求解；步骤四：采用贪婪算法得到系统总能耗最低时的发射功率方案。本发明提出的方法不需要预测各时隙信道的小尺度衰减信息，然而设计的功率分配方案可以保证用户在这段时间内接收数据的中断概率不影响用户体验。适应当下无法在大范围内预测信道小尺度衰减信息的实际情况。

主权项

一种基于用户空间情境信息的低能耗传输方法，包括以下几个步骤：步骤一：基站收集用户的空间情境信息和数据请求信息，中心处理器或基站设定数据传输的总时长T、时隙宽度Δt和总时隙个数确定第n个时隙内接收端的等价平均信噪比λ_n，将λ_n选为第n个时隙所包含的多个时刻中接收端的最小平均信噪比，其中平均信噪比是指平均信道增益与接收端噪声方差的比值；对各时隙的等价平均信噪比由低到高进行排序，记为定义N为基站进行数据传输的总时隙个数，$N\≤\stackrel{\‾}{N},$初始化N为：$N=\stackrel{\‾}{N};$步骤二：给定N，计算辅助变量l，用于对各时隙用户接收数据量的均值和方差进行近似，具体包括：1)给定辅助变量l的取值范围[l_min,l_max]，计算2)给定变量l，按照下述步骤三的方法计算基站在N个时隙的发射功率，记为p_n，n＝1，…，N；3)计算第n个时隙传输数据量的均值E_n，和第n个时隙传输数据量的方差为：${\mathrm{\σ}}_n^2=\mathrm{\Δ}{t}^2\·(\underset{0}{\overset{\∞}{\∫}}{{\log }_2}^2(1+p_n{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_{n}x)\frac{x^{N_t-1}{e}^{-x}}{(N_t-1)!}\mathrm{dx}-{E_n}^2),$其中：N_t表示基站发射天线数，x为积分变量；4)计算数据传输的中断概率ε为：$\mathrm{\ϵ}=\frac{1}{2}(1+\mathrm{erf}((\frac{\mathrm{ST}}{B}-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{E}_n)/\sqrt{2\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\σ}}_n^2})),$其中：S表示用户的平均数据请求，B表示用户占用的带宽，erf(·)表示误差函数；5)如果ε≤ε₀，则令l_max＝l；反之，令l_min＝l，其中ε₀表示用户业务可容忍的最大中断概率值；6)重复步骤1)‑5)，直至l_max‑l_min＜δ，其中δ是门限值；步骤三：给定N和步骤二得到的l值，求解下述总发射功率最小化问题：$\underset{p}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n$$s.t.\mathrm{Pr}(\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\log }_2(1+p_n{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n{\left|\right|h\left|\right|}^2)\≤\frac{\mathrm{TS}}{B\·\mathrm{\Δt}})\≤{\mathrm{\ϵ}}_0---\left(1\right)$p_n≥0，p_n≤p_max，n＝1，2，3，…，N  (2)其中，p_max为基站最大发射功率，表示小尺度衰减信道，表示复数域，表示实数域，Pr(·)表示概率值；约束(1)表示数据传输的中断概率不超过用户业务要求的最大值，约束(2)表示基站的发射功率限制；将上述优化问题转换为如下的标准凸优化问题：$\underset{p}{\min }\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{p}_n$$s.t.V\·\ln \left(2\right)-\underset{n=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\ln (l+p_n{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n)\≤0$p_n≥0,p_n≤p_max,n＝1,2,3,…,N其中，$V=\frac{\mathrm{TS}}{B\·\mathrm{\Δt}}-{\log }_2\left(e\right)\·\sqrt{2N\stackrel{\·}{\mathrm{\ψ}}\left(N_t\right)}\·{\mathrm{erf}}^{-1}(2{\mathrm{\ϵ}}_0-1)-N{\log }_2\left(e\right)\·\mathrm{\ψ}\left(N_t\right),\mathrm{\ψ}(\·)$为欧拉双伽马函数，为欧拉双伽马函数的导函数，erf^‑1(·)为误差函数的反函数；该问题采用如下次优闭式解：$p_n=\left\{\begin{array}{cc}0,& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n\≤\frac{l}{\mathrm{\η}}\\ \mathrm{\η}-\frac{l}{{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n},& {\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_n>\frac{l}{\mathrm{\η}}\end{array}\right.$其中，η的计算方法如下：令i＝1，计算$z_i=N-i+1\sqrt{l^N\underset{j=i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_j/2^V};$如果${\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_i\<z_i,$更新i＝i+1和z_i；如果${\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_i\≥z_i,$计算η为：$\mathrm{\η}=\sqrt[(N-i+1)]{2^V/\left(l^{i-1}\underset{j=i}{\overset{N}{\mathrm{\Π}}}{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_j\right)};$根据计算得到的功率分配结果p＝[p₁…p_k…p_n]，计算系统的总能耗E_tot(N)为：E_tot(N)＝Δt·(Δ_p·||p||₁+||p||₀·P_c,active+(N‑||p||₀)·P_c,sleep)，其中Δ_p为功率放大器系数，||p||₁是p的l₁范数，表示系统的总发射功率，||p||₀是p的l₀范数，表示基站开启的总时隙数，N‑||p||₀表示基站休眠的总时隙数，P_c,active和P_c,sleep分别表示基站开启时和休眠时的电路功耗；步骤四：采用贪婪算法找到使系统总能耗最低的传输时隙数N，具体方法如下：迭代更新N＝N‑1，并执行步骤二和步骤三，更新功率分配结果p，进而计算系统的总能耗E_tot(N)；当max(p)＞p_max时，迭代停止，并定义N_min＝N+1；找到的最小值，其对应的N即为最优的传输时隙数，相应的功率分配结果即为使系统总能耗最低的功率分配方案。