[發明專利]基于分式規劃和罰函數方法的高能效資源優化方法

有效

• 申請號: 201310411012.9
• 申請日: 2013-09-11
• 公開（公告）號: CN103428767A
• 公開（公告）日: 2013-12-04
• 發明（設計）人: 蔣雁翔;劉強;尤肖虎
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: H04W28/06
• 分類號: H04W28/06;H04W72/04
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 楊曉玲

1.基于分式規劃和罰函數方法的高能效資源優化方法，其特征在于：包括如下步驟：

(1)建立能效的目標函數，如式(1)、式(2)所示：

maxUEE=Σi=1NdΣj=1Mxi,j·R(pi,j)Σi=1NdΣj=1Mxi,j·pi,j+PC---(1)]]>

R(pi,j)=w·log2(1+pi,j·hD,ipI,k,i·hk,i+σ2)---(2)]]>

該目標函數包括如下約束條件：

①每組D2D對的最低傳輸速率要求，即最低傳輸速率不能小于γ_i，不同組的D2D對的最低傳輸速率可以不同：

R(pi,j)≥γi,∀i,∀j]]>

②與一組D2D對共享相同資源塊的蜂窩用戶對該組D2D對中的兩個D2D用戶的干擾功率必須小于一定值τ：

pI,k,i·hk.i≤τ∀xi,j=1]]>

③x_i，j取1表示第i組D2D對選擇第j個資源塊進行復用，x_i，j取0表示第i組D2D對不選擇第j個資源塊進行復用：

xi,j∈{0,1},∀i,∀j]]>

④每組D2D對能且只能復用一個蜂窩用戶的資源塊：

Σj=1Mxi,j=1,∀i]]>

⑤每個蜂窩用戶的資源塊最多只能被一組D2D對復用：

Σi=1Ndxi,j≤1,∀j]]>

⑥D2D用戶的最大傳輸功率限定：

0≤pi,j≤pmax,∀i,∀j]]>

每組D2D對中包含兩個D2D用戶，其中一個為接收用戶，另一個為發送用戶；

其中：N_d表示D2D對的組數，M表示可分配資源塊的個數，i表示第i組D2D對，j表示第j個資源塊，k表示與第i組D2D對復用相同資源塊的蜂窩用戶的序號；U_EE表示所有D2D對的能效之和，表示所有D2D對傳輸速率之和，表示所有D2D對消耗功率之和，p_i，j表示第i組D2D對在第j個資源塊上的傳輸功率，P_C表示移動終端上電路所消耗的功率，w表示資源塊的帶寬，h_D，i表示同一組D2D對中發射用戶和接收用戶之間的信道增益，p_I，k，i表示與一組D2D對共享資源塊的蜂窩用戶的發射功率，h_k，i表示共享同一資源塊的蜂窩用戶與D2D對中的接收用戶間的信道增益，σ²表示高斯白噪聲的方差；

(2)根據分式規劃將式(1)等效轉化為式(3)：

maxpi,j,xi,j∈ΩΣi=1NdΣj=1Mxi,j·R(pi,j)-q*(Σi=1NdΣj=1Mxi,j·pi,j+Σi=1NdPC_ave)=0---(3)]]>

其中：Ω表示由約束條件①～⑥共同定義出的可行域，q^*表示D2D用戶整體的最優能效，P_{C_ave}＝P_C/N_d；

而式(3)與式(4)為等效問題：

minxi,j,pi,j∈Ω-Σi=1Nd[Σj=1Mxi,j·R(pi,j)-q*(Σj=1Mxi,j·pi,j+PC_ave)]---(4)]]>

利用罰函數法去除約束條件①和約束條件⑥，則式(4)可表示為式(5)：

其中：Ω′表示去掉約束條件①、約束條件②和約束條件⑥所剩下的約束條件所獲得的可行域，和表示很大的正數，Z1=Σi=1NdΣj=1Mmax{0,2γi,lw-1-pi,j·hD,ipI,k,j·hk,j+σ2)},]]>

Z2=Σi=1NdΣj=1Mmax{0,pmax-pi,j};]]>

對式(5)進行整理得式(6)：

minxi,j∈Ω′-Σi=1NdA]]>

將式(5)分解成兩層優化問題進行求解，該兩層優化問題分別為第一層優化問題和第二層優化問題；其中第一層優化問題為功率控制問題，第二層優化問題為資源分配問題；

(3)在解決第一層優化問題時，需要求解N_d個子問題，即每組D2D對在所有可行資源上分別求f_i(q)的最小值，q表示能效：

首先對f_i(q)的函數求一階導數并令導數為零，得到的最優功率點有式(7)所示三種可能情況：

將三種可能最優功率點分別帶入f_i(q)的函數內，使得f_i(q)取值最小的點記為最優功率點對應的即為f_i(q)的最小值；

(4)在解決第二層優化問題時，需要選出一組D2D對，使得該D2D對復用當前的資源塊時，式(4)的值是最小的，即解決一個組合優化問題，等效數學模型如式(8)：

maxΣi=1NdΣj=1M′xi,jfi,j(q)p=pi,j*---(8)]]>

該數學模型包括如下約束條件：

Σj=1Mxi,j=1,∀i]]>

Σi=1Ndxi,j≤1,∀j]]>

xi,j∈{0,1},∀i,∀j]]>

采用啟發式資源分配算法進行資源分配，確定每組D2D對所復用的資源。