[發明專利]基于博弈論的異構網絡高能效功率分配方法

在審

• 申請號: 201710096082.8
• 申請日: 2017-02-22
• 公開（公告）號: CN106937295A
• 公開（公告）日: 2017-07-07
• 發明（設計）人: 陳佳美;王垚;李玉峰;邵清亮;關慶陽;藍曉宇
• 申請（專利權）人: 沈陽航空航天大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W24/02;H04W24/06;H04W28/02
• 代理公司: 沈陽火炬專利事務所(普通合伙)21228
• 代理人: 李福義

技術領域

本發明屬于計算機通訊領域，具體涉及異構網絡基于Stackelberg博弈的高能效功率分配方法。

背景技術：

據統計，2010至2015年，全球通信量以131％的年增長率共增長了66倍。然而，3G技術到4G技術的峰值速率的年增長率僅為55％。隨著4G通信系統在全球范圍的發展，5G移動通信技術也開始出現在研究領域中。顯而易見，新的無線接入技術與無線數據通信量需求之間是存在很大距離的。由于無線鏈路效率已經近乎達到其原始極限，未來無線接入能力的提高在很大程度上將依靠基礎設施技術的改進，例如，增加節點密度、合作與協作射頻技術等。這樣一來，通信數據量的急劇增長和為移動用戶提供服務的基礎設施數量的持續攀升就會不可避免的增加無線網絡中的能量消耗，導致大量的溫室氣體排放，從而對環境保護以及網絡的可持續性發展造成危機。由此帶來的通信設備對能源的消耗情況讓原本被忽視的通信產業節能問題日益受到人們重視。從能源、環境以及經濟等多個角度來看，節能降耗的確已成為通信產業亟待解決的問題。

另外，在異構網絡中，干擾控制也是一個重要的研究領域，尤其是當微蜂窩網絡與宏蜂窩網絡在相同的頻段時，有效的干擾控制顯得更加重要。原因是，這種頻譜共享會導致微蜂窩網絡與宏蜂窩網絡間產生跨層干擾。同時，微蜂窩網絡之間也可以共享相同的射頻資源來提高頻譜效率，這又會導致微蜂窩網絡之間產生同層干擾。跨層干擾和同層干擾的共存，會使網絡性能顯著降低。如果沒有有效的干擾管理，功率資源將被極大的浪費，而網絡整體的能量利用效率也可能甚至會比沒有微蜂窩網絡存在時的情況更糟。現存的針對異構網絡的干擾控制策略可分為兩大類：干擾緩解/消除策略以及源于認知無線電網絡的干擾功率約束策略。在干擾功率約束策略中，微蜂窩網絡對宏蜂窩網絡產生的干擾總和應保持在一個可以接受的水平內。

資源分配在干擾管理和提高能源效率中都起著非常重要的作用。然而，大多數現有的資源分配的工作，其目標一般是單純提高用戶或整個網絡的能源效率，極少同時考慮干擾對能源效率的影響。也有一些研究工作使用了資源分配來解決基于OFDMA的網絡的干擾控制問題。因此，現有方法使用資源分配目標或者是提高能源效率，或者是減少干擾，將兩者相結合同時考慮的研究還比較少見。

發明內容：

本發明提供一種異構網絡基于Stackelberg博弈的高能效功率分配方法，以此來解決現有技術中存在的因通信數據量的急劇增長和為移動用戶提供服務的基礎設施數量的持續攀升不可避免的增加無線網絡中的能量消耗導致的溫室效應，進而對環境保護以及網絡的可持續性發展造成的危機等問題。本發明通過以下技術方案來實現：

本發明在追求高能效的功率分配問題中引入干擾功率約束條件，提出最大化能效函數的非凸問題，并將該問題通過建立兩級Stackelberg博弈模型進行分解，分別針對宏蜂窩網絡(Macrocell)與微蜂窩網絡(Picocell)建立不同的能效優化函數；對宏蜂窩網絡與微蜂窩網絡的能效優化函數提出拉格朗日對偶分解(LDDM)方法進行優化，并對干擾價格進行優化，最終找到高能效功率分配問題的優化解；具體步驟如下：

步驟1：異構網絡拓撲建立

建立一個兩層異構網絡，一個中心宏蜂窩網絡和N個微蜂窩網絡，整個頻帶劃分成K個子載波，所有的微蜂窩網絡和宏蜂窩網絡一起共享相同的頻譜，干擾包括跨層干擾和同層干擾，由于微蜂窩網絡基站的發射功率要遠遠小于宏蜂窩網絡基站的發射功率，即可忽略不計，本發明只考慮從宏蜂窩網絡到微蜂窩網絡的跨層干擾。

步驟2：功率分配能效函數建立

宏蜂窩網絡和第n個微蜂窩網絡能量消耗分別用P_m和P_n表示，如公式(1)所示：宏蜂窩網絡和第n個微蜂窩網絡能量消耗公式也可以表示成收益：

其中，k_m和k_n分別表示宏蜂窩網絡和第n個微蜂窩網絡的功率放大器的效率；P_k和分別表示宏蜂窩網絡和第n個微蜂窩網絡在第k個子載波上分配的功率；P_cm和P_cn分別表示宏蜂窩網絡和第n個微蜂窩網絡的電路功率且均與發射功率是之間是相互獨立的；

因此，建立能效函數η為η(y,P_n,P_m)，其中y表示干擾價格。

步驟3：最大化能效函數

追求高能效的問題可以轉化為最大化能效函數η(y,P_n,P_m)，如公式(2)所示：