[發明專利]一種協作蜂窩網絡的資源分配和能量管理方法

在審

• 申請號: 201611268326.8
• 申請日: 2016-12-31
• 公開（公告）號: CN106604400A
• 公開（公告）日: 2017-04-26
• 發明（設計）人: 馬丕明;余彬;馬艷波
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: H04W72/04
• 分類號: H04W72/04
• 代理公司: 濟南金迪知識產權代理有限公司37219
• 代理人: 葉亞林

1.一種協作蜂窩網絡的資源分配和能量管理方法，由以下系統實現：該系統包括兩個蜂窩網絡，每個蜂窩網絡包括一個基站和K_i個用戶，其中i為基站編號，K_i表示在基站i中有K_i個用戶，用戶集合和分別表示兩個基站中用戶的集合；兩個基站共享同一段頻譜，并將整個授權的頻帶等分成N個帶寬相同的子載波，每個子載波的帶寬為B；令x_i,k,n為子載波分配因子，其中，n表示第n個子載波，子載波的集合當子載波n分配給了基站i中的第k個用戶時，x_i,k,n＝1；否則，x_i,k,n＝0，且每個子載波僅能分配給一個用戶；將基站i中的第k個用戶在第n個子載波上的信道增益表示為h_i,k,n；其特征在于，具體步驟如下：

1)計算每個用戶的通信速率和：

基站與用戶之間通過子載波通信，每個用戶在其所分配到的所有子載波上的通信速率和為：

其中p_i,k,n表示基站i中第k個用戶在第n子載波上的傳輸功率，N₀表示高斯白噪聲的功率譜密度；

2)計算每個基站所消耗的能量

每個基站的能量消耗有三個部分：第一部分是電路消耗P_c,i；第二部分是發射信號所需要的能量P_i，且第三部分是基站i所共享的能量e_i，則基站i消耗的總能量：

3)確定優化問題

以整個系統的成本為目標函數，每個子載波的分配情況、每個基站從可再生能源公司所能購買的最大能量、每個用戶的通信速率和以及每個基站消耗的總能量為約束條件，構造如下優化問題：

其中，表示第基站，表示屬于集合除去元素i之后的集合；表示可再生能源的單價；表示電網中的電能的單價；R_i,k表示每個用戶所需的最小通信速率；E_i表示基站i購買的可再生能源的量；G_i表示基站i從電網中購買的能量；e_i表示基站共享給基站i的能量；η表示能量傳輸效率；表示可再生能源公司所能提供的最大能量；求解目標函數的最小值被稱為原問題；

4)求解優化問題

將整數型變量x_i,k,n從原來的0、1取值放松到0到1，即x_i,k,n∈[0,1]，重新規劃原優化問題：

0≤x_i,k,n≤1

定義符號Ψ代替E_i，G_i和e_i，即則原問題的拉格朗日函數為：

分別定義和為變量s_i,k,n和x_i,k,n的最優值；通過應用KKT條件，變量s_i,k,n和x_i,k,n取得最優值的充要條件為：

原問題的對偶函數為：

其中λ,μ,ν分別表示公式(4)中前四個約束條件的對偶向量，λ_i,k、μ_i、ν_n分別表示公式(4)中前四個約束條件中每一個約束式所對應的拉格朗日對偶因子，λ_i,k、μ_i、ν_n分別是對偶向量λ、μ、ν中的元素，對偶函數(7)對應的對偶問題表述如下：

對偶問題(8)所求得的最優值即為原問題的最優值；

A)最優功率分配求解

將原問題的拉格朗日函數對變量s_i,k,n求偏導，并且令其偏導等于0，即：

$\frac{\∂L(x,p,\mathrm{\Ψ},v,\mathrm{\λ},\mathrm{\μ})}{\∂s_{i,k,n}}=0---\left(9\right)$

求解(9)式，得到基站i中的第k個用戶在第n個子載波上的最優傳輸功率

$p_{i,k,n}^{*}=\frac{s_{i,k,n}^{*}}{x_{i,k,n}^{*}}={\[\frac{{\mathrm{\λ}}_{i,k}B}{{\mathrm{\μ}}_{i}ln2}-\frac{{\mathrm{BN}}_0}{h_{i,k,n}}\]}^{+}---\left(10\right)$

其中符號[]⁺表示[]中的部分取非負值；

B)最優子載波分配求解

將原問題的拉爾朗日函數對變量x_i,k,n求偏導，即：

$\frac{\∂L}{\∂x_{i,k,n}}={\mathrm{\λ}}_{i,k}\[\frac{s_{i,k,n}{h}_{i,k,n}}{(x_{i,k,n}{\mathrm{BN}}_0+s_{i,k,n}{h}_{i,k,n})\ln 2}-B{\log }_2\left(1+\frac{s_{i,k,n}{h}_{i,k,n}}{x_{i,k,n}{\mathrm{BN}}_0}\right)\]-v_n---\left(11\right)$

將式(10)代入式(11)，并應用KKT條件得到：

$\frac{\∂L}{\∂x_{i,k,n}}=H_{i,k,n}-v_n---\left(12\right)$

其中，

$K_{i,k,n}={\mathrm{\λ}}_{i,k}B\[\frac{1}{\ln 2}-\frac{{\mathrm{\μ}}_i{N}_0}{{\mathrm{\λ}}_{i,k}{h}_{i,k,n}}-{\log }_2\frac{{\mathrm{\λ}}_{i,k}{h}_{i,k,n}}{{\mathrm{\μ}}_i{N}_0\ln 2}\]---\left(13\right)$

應用充要條件(6)中的第二個條件可得：

$x_{i,k,n}^{*}=\left\{\begin{array}{c}=0,H_{i,k,n}\>v_n\\ =1,H_{i,k,n}\<v_n\end{array}\right.---\left(14\right)$

H_i,k,n最小的用戶被分配到第n個子載波，即：

$x_{i,k^{*},n}^{*}=1,x_{i,k,n}^{*}=0,\∀k\≠k^{*},k^{*}=\underset{k}{\mathrm{argmin}}{H}_{i,k,n}---\left(15\right)$

其中，符號表示求使得[]內的部分取最小值時k的取值；

C)最優能量管理求解

情形一、最優的共享能量為0，即：

$e_i^{*}=0---\left(16\right)$

定義能量消耗變量表示基站i的電路消耗和信號傳輸消耗，且根據優先購買可再生能源的原則，進一步求出最優的和即：

$E_i^{*}=min(E_c^{\left(i\right)},{\stackrel{\‾}{E}}_i)---\left(17\right)$

$G_i^{*}=max(E_c^{\left(i\right)}-{\stackrel{\‾}{E}}_i,0)---\left(18\right)$

情形二、最優的共享能量不為0：

設且由此可知，基站i不需要從電網中購買能量，即：

$G_i^{*}=0---\left(19\right)$

根據能量共享的原則可知基站不需要共享能量，即：

$e_{\stackrel{\‾}{i}}^{*}=0---\left(20\right)$

基站購買其所能購買到的所有的可再生能源，即：

$E_{\stackrel{\‾}{i}}^{*}={\stackrel{\‾}{E}}_{\stackrel{\‾}{i}}---\left(21\right)$

情形a)、基站i共享給基站的能量滿足基站的需求，即此時基站i共享的最優能量為：

$e_i^{*}=(E_c^{\left(\stackrel{\‾}{i}\right)}-{\stackrel{\‾}{E}}_{\stackrel{\‾}{i}})/\mathrm{\η}---\left(22\right)$

基站i所購買可再生能源為其自身消耗的能量以及其共享給基站的能量即基站i需要購買的可再生能源的能量為：

$E_i^{*}=E_c^{\left(i\right)}+e_i^{*}---\left(23\right)$

由于基站i共享給基站的能量能夠滿足基站的需求，因此基站不需要從電網中購買能量，即：

$G_{\stackrel{\‾}{i}}^{*}=0---\left(24\right)$

情形b)、基站i共享給基站的能量不能滿足基站的需求，即則此時基站i應該購買所有的可再生資源，即：

$E_i^{*}={\stackrel{\‾}{E}}_i---\left(25\right)$

并且，基站i應該將在滿足自身能量需求之外所剩余的可再生能源全部共享給基站即基站i共享給基站的最優能量為：

$e_i^{*}=E_i^{*}-E_c^{\left(i\right)}---\left(26\right)$

在基站接收了基站i共享的能量之后，基站還缺少的能量由基站自身向電網購買，即基站向電網購買的能量為：

$G_{\stackrel{\‾}{i}}^{*}=E_c^{\left(\stackrel{\‾}{i}\right)}-E_{\stackrel{\‾}{i}}^{*}-{\mathrm{\ηe}}_i^{*}---\left(27\right);$

拉格朗日對偶因子最優值的具體求解過程如下：

a)設初始迭代次數t＝0，設每個用戶的最小通信速率，初始化對偶因子集合初始值λ(0)，μ(0)為非負實數；

b)當迭代次數為t時，用λ(t)，μ(t)表示當前更新的拉格朗日對偶因子，將對偶因子集合λ(t)、μ(t)代入公式(10)和(15)中得到對應的最優信號傳輸功率和最優子載波分配然后根據式(16)-(27)計算出最優的能量管理和

c)采用以下公式分別更新2種拉格朗日對偶因子：

其中，s_λ(t)和s_μ(t)分別表示相應的拉格朗日對偶因子對應的迭代步長，t表示迭代次數；

d)令λ^*＝λ(t+1)，μ^*＝μ(t+1)，若λ^*和μ^*滿足預定義的數據精度，則輸出最優對偶因子集合λ^*和μ^*，否則，令t＝t+1，跳轉至步驟b)，繼續迭代，直到滿足預定義的數據精度；

5)計算基站與每個用戶通信時的最優發射功率，最優子載波分配以及最優能量管理；

將得到的最優拉格朗日因子最優集合λ^*和μ^*代入式(10)-(27)中，即可得到在滿足每個用戶的最低通信速率的條件之下的最優資源分配和能量管理。