[發(fā)明專利]超密集無線網(wǎng)絡(luò)基于干擾協(xié)調(diào)的能效資源分配方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710102229.X
• 申請(qǐng)日: 2017-02-24
• 公開（公告）號(hào): CN106954227B
• 公開（公告）日: 2020-04-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱曉榮;王振;沈瑤;朱洪波
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南京郵電大學(xué)
• 主分類號(hào): H04W24/06
• 分類號(hào): H04W24/06;H04W52/18;H04W52/24;H04W52/26;H04W72/04;H04W72/08;G06K9/62
• 代理公司: 江蘇愛信律師事務(wù)所 32241
• 代理人: 唐小紅

1.超密集無線網(wǎng)絡(luò)基于干擾協(xié)調(diào)的能效資源分配方法，其特征在于，具體包括：

1)基于成簇的超密集無線網(wǎng)絡(luò)模型

基于成簇的超密集無線網(wǎng)絡(luò)，由一個(gè)宏基站MBS和密集的家庭基站FBS構(gòu)成，如家庭基站已經(jīng)C個(gè)分簇，不考慮來鄰區(qū)宏基站的干擾；MBS處于宏蜂窩的中心位置，覆蓋半徑為R_M，最大發(fā)射功率為P_M，宏小區(qū)隨機(jī)分布著U_M個(gè)宏用戶；宏蜂窩覆蓋范圍內(nèi)隨機(jī)分布著F個(gè)家庭基站，半徑為R_f，最大發(fā)射功率為P_f,每個(gè)家庭基站采用半開放式的用戶接入方式，即首先保證本家庭基站注冊(cè)用戶的權(quán)益，再考慮接入其他用戶；系統(tǒng)總帶寬W分為等寬的L個(gè)子信道，子信道帶寬為Δf＝W/L；由于同一小區(qū)下使用相同子信道的用戶會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)干擾，為了降低干擾同一小區(qū)下，信道與用戶的關(guān)系為n:1，即一個(gè)信道在同一時(shí)刻只能分配給單個(gè)用戶；

2)能效優(yōu)化模型

能量效率EE即Energy Efficient的定義為總傳輸速率與總的能量消耗的比值，如下：

其中，R_sum為超密集無線網(wǎng)絡(luò)家庭基站總的傳輸速率，P_sum為網(wǎng)中消耗的總功率，包括電子元器件的消耗與發(fā)射功率消耗，e為平均誤碼率；

網(wǎng)絡(luò)總的傳輸速率表示為：

其中，表示信道使用因子，滿足當(dāng)表示家庭基站f沒采用子信道l的信息，反之，采用；其中，信道l上用戶u的傳輸速率為表示家庭基站在信道l上用戶u的信干燥比：

其中，和分別表示家庭基站與宏基站在信道l上發(fā)射功率；表示第j個(gè)家庭基站在信道l上發(fā)射功率；分別表示第f個(gè)家庭基站在信道l的信道增益、第j個(gè)家庭基站在信道l的信道增益、第M個(gè)宏基站在信道l的信道增益；表示信道使用因子，當(dāng)表示宏基站M沒采用子信道l，反之，則沒采用；N₀表示信道噪聲功率譜密度；系統(tǒng)總能耗表示為：

式中，為家庭基站總的累計(jì)傳輸功率，為功放器的倒數(shù)P_e＝F*p_e為電子元器件的消耗的總功率，單個(gè)家庭基站消耗為固定值p_e；

優(yōu)化目標(biāo)在發(fā)射功率限制、終端用戶業(yè)務(wù)傳輸速率和簇間、簇內(nèi)干擾制約的條件下最大化網(wǎng)絡(luò)的能量效率，優(yōu)化模型表示為：

其中，表示用戶u使用第f個(gè)家庭基站第l個(gè)信道的信干比；表示第M個(gè)宏基站對(duì)用戶u在第l個(gè)信道產(chǎn)生的信干比；表示宏基站對(duì)家庭基站產(chǎn)生的跨層干擾的上限值；P_f表示家庭基站的最大發(fā)射功率；C1和C2分別代表了用戶的最低業(yè)務(wù)速率和家庭基站發(fā)射功率的限制；C3和C4分別表示信道只有被用戶使用和未被使用兩種狀態(tài)與每個(gè)小小區(qū)內(nèi)信道只能分給一個(gè)用戶；C5是宏基站對(duì)家庭基站的跨層干擾做了限制；目的是在最大功率限制、用戶最低業(yè)務(wù)速率制約和干擾制約的前提下最大化η_EE的值；

3)簇間與簇內(nèi)干擾協(xié)調(diào)

3-A)簇間干擾協(xié)調(diào)

由于基于成簇的超密集無線網(wǎng)絡(luò)簇間采用頻率復(fù)用技術(shù)，將造成簇間的邊緣家庭基站存在嚴(yán)重的干擾，為解決簇間干擾，基于圖論著色原理對(duì)簇進(jìn)行歸類，并以此提出新型簇間時(shí)域調(diào)度方案；對(duì)簇按照?qǐng)D論著色理論進(jìn)行著色；由于圖論著色算法可知最少需要四種顏色，地圖上的任何互相相鄰區(qū)域不能涂一樣的顏色，用綠、黃、紅和白色對(duì)C個(gè)簇進(jìn)行著色，將簇分為四類且相鄰簇間顏色不同；把每一個(gè)染色后的簇看成統(tǒng)一協(xié)調(diào)的共同體，對(duì)簇與簇之間按照著色分簇進(jìn)行時(shí)域調(diào)度:

3-A-1):根據(jù)顏色數(shù)量，將8個(gè)調(diào)度幀分為四類，與之對(duì)應(yīng)的是簇的四種顏色，即：著綠色的簇對(duì)應(yīng)幀1和5，著黃色的簇對(duì)應(yīng)幀2和6，著紅色的簇對(duì)應(yīng)幀3和7，著白色的簇對(duì)應(yīng)幀4和8；

3-A-2):某個(gè)顏色調(diào)度的時(shí)候,與之對(duì)應(yīng)的該顏色的簇稱作干擾簇InterferenceCluster即IC，其它的簇稱作守護(hù)簇Protected Cluster即PC，并且干擾簇內(nèi)的FBS要減功率發(fā)送，及各自覆蓋范圍內(nèi)的用戶不參與調(diào)度，而在調(diào)度幀守護(hù)簇的FBS以分配的滿功率發(fā)送且所有邊緣用戶都得到調(diào)度；簇的功率衰減公式如下：

其中，δ滿減因子；CI指干擾簇索引，PI指守護(hù)簇索引；

3-B)簇內(nèi)干擾協(xié)調(diào)

超密集無線網(wǎng)絡(luò)中，通過宏基站、簇內(nèi)家庭基站都通過簇頭cluster head即CH基站協(xié)作優(yōu)化無線資源分配，尤其是干擾較大的終端用戶信道鏈路信息，限制彼此干擾大的家庭基站使用不同信道；而高密度部署家庭基站的情況，若每個(gè)基站都去廣播發(fā)送與接收彼此的鏈路狀態(tài)信息，會(huì)造大量的開銷浪費(fèi)和負(fù)載量，更會(huì)造成能量效率下降，因此，通過回傳鏈路統(tǒng)一發(fā)送給CH，并對(duì)其收集到的信息采取干擾協(xié)調(diào)：

3-B-1)：簇內(nèi)家庭基站信息回傳到CH

公式(7)中，表示用戶u使用第f個(gè)家庭基站第l個(gè)信道的信道增益；g^req為信道鏈路狀態(tài)門限閾值，區(qū)分宏基站與家庭基站閾值，若某信道鏈路狀態(tài)小于門限值，則其干擾置零；否則，CH進(jìn)行干擾協(xié)調(diào)處理；

3-B-2)：高密度家庭基站部署，人流分布不均，極其容易出現(xiàn)簇內(nèi)家庭基站負(fù)載不均衡，若某個(gè)家庭基站用戶偏多，需要用到更多的子信道，則CH采用如下策略：

其中，表示其他使用相同子信道的家庭基站對(duì)該用戶的干擾集合，并按照倒序排位，I_max為干擾集中對(duì)用戶最大的干擾項(xiàng)，表示排除最大干擾項(xiàng)后的用戶數(shù)據(jù)速率；表示用戶u使用第f個(gè)家庭基站第l個(gè)信道的速率，表示排除最大干擾項(xiàng)的家庭基站后的用戶數(shù)據(jù)速率；終端用戶的傳輸速率滿足最低需求則不需要協(xié)調(diào)；若不滿足，則讓最大干擾項(xiàng)的家庭基站禁止使用該信道，并重新更新若更新后用戶速率還不滿足需求，為了終端用戶之間的公平性則拋棄此用戶；通過上述兩步方法實(shí)現(xiàn)簇間與簇內(nèi)的干擾的協(xié)調(diào)；

4)基于干擾協(xié)調(diào)能效資源分配算法

將基于干擾協(xié)調(diào)的資源分配問題分解成兩個(gè)優(yōu)化子問題，分別利用最大最小算法和優(yōu)化改進(jìn)的粒子群算法對(duì)子信道和功率進(jìn)行優(yōu)化分配；其中，為了避免粒子群優(yōu)化陷入局部解缺陷，引進(jìn)阻尼震動(dòng)與適應(yīng)度變異對(duì)粒子群優(yōu)化算法進(jìn)行改進(jìn)；

4-A)基于干擾協(xié)調(diào)的最大最小算法的信道分配

當(dāng)給定子信道分配與電子元器件的消耗比例后，系統(tǒng)的能量效率必然存在下限值，即η_EE不小于用戶能量效率的最低值，表示為：

因此，只要讓具有最低的能效值的終端用戶的能效提升，就讓系統(tǒng)能效進(jìn)一步提高；p_e表示單個(gè)家庭基站器件所消耗的功率，p_u表示用戶u分配的功率；定義用戶質(zhì)量體驗(yàn)函數(shù)當(dāng)e＜1時(shí)，表明用戶對(duì)數(shù)據(jù)速率體驗(yàn)不滿意，e≥1表示體驗(yàn)滿意，且越大越滿意；，表示用戶u使用信道f時(shí)的速率，而且為了保證用戶之間的公平性，e越小則具有更高的子信道分配優(yōu)先級(jí)；基于干擾協(xié)調(diào)的子信道分配算法描述如下：

(4-A-1)初始化，每個(gè)子信道均分功率為

(4-A-2)初分配子信道，對(duì)終端用戶按照業(yè)務(wù)速率進(jìn)行正排序，家庭基站按照排序優(yōu)先級(jí)給用戶分配子信道，計(jì)算每個(gè)用戶的初始化傳輸速率R_u；

(4-A-3)再分配，計(jì)算每個(gè)終端用戶的質(zhì)量體驗(yàn)函數(shù)并以倒排序放入用戶質(zhì)量體驗(yàn)隊(duì)列T_f中，并以此次序?qū)ψ有诺肋M(jìn)行再一次分配，并更新再分配后的和e_u；不斷重復(fù)此步驟，直到所有的終端用戶質(zhì)量體驗(yàn)函數(shù)e_u＞1；

(4-A-4)經(jīng)過步驟(4-A-1)到步驟(4-A-3)后終端全部用戶都達(dá)到了各自要求的基本業(yè)務(wù)速率；倒排序取出值最低的用戶，輪詢q_f中剩下子信道L_remain，找到讓最低值能效提升的子信道即重復(fù)步驟(4-A-4)，直剩余子信道L_remain不能再讓提升；

4-B)基于干擾協(xié)調(diào)的改進(jìn)的粒子群優(yōu)化算法的功率分配

在CH對(duì)簇內(nèi)干擾協(xié)調(diào)與子信道分配結(jié)果的基礎(chǔ)上，首先將優(yōu)化模型(5)化為約束性粒子群優(yōu)化的標(biāo)準(zhǔn)形式：

其中，p_m描述了每一個(gè)粒子m的發(fā)射功率，是一個(gè)L維的向量；R_sum(p_m)表示每一個(gè)粒子m的發(fā)射功率是p_m時(shí)的速率和，P_sum(p_m)表示每一個(gè)粒子m的發(fā)射功率是p_m時(shí)的發(fā)射功率和；將(10)轉(zhuǎn)化為無約束問題：

公式中，h_max(p_m)＝max[h₁(p_m),h₂(p_m),...,h₄(p_m)]，適應(yīng)度函數(shù)為h(p_m)；由于非約束性粒子群算法容易出現(xiàn)早熟現(xiàn)象，因此引入了群體適應(yīng)度方差的概念，定義為:

其中，σ²表示為適應(yīng)度變異方差，h(p_m)和h_avg分別為粒子m的適應(yīng)度和群體的平均適應(yīng)度；σ²越小越趨近收斂；反之，趨近隨機(jī)收斂；M表示所有粒子的和，m是其中的一個(gè)粒子的索引；群體或者臨近域所有粒子M最優(yōu)位置變異的概率定義為

其中，i∈[0.2,0.7]，閥值與實(shí)際問題有關(guān)，一般

依照公式(4)和公式(10)得到粒子的位置和飛行速度的更新公式如下：

其中，和分別表示粒子m當(dāng)前的位置即當(dāng)前發(fā)射功率和速度即飛行變化趨勢(shì)，針對(duì)傳統(tǒng)粒子全優(yōu)化算法的慣性權(quán)重ω進(jìn)行改進(jìn)，更好的平衡局部和全局搜索權(quán)重；c₁、r₁^t、c₂、都是常數(shù)，c₁是對(duì)個(gè)體經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)因子，c₂是對(duì)群體經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)因子，r₁^t、在表示t時(shí)刻的調(diào)節(jié)因子，一般情況下，c₁＝c₂＝2，r₁^t、取[0,1]內(nèi)的隨機(jī)數(shù)；針對(duì)初期迭代局部解空間搜索能力較差的缺點(diǎn)，引入DW對(duì)ω進(jìn)行逐步周期性衰減改進(jìn)：

式中，ω_max和ω_min分別為ω的上限與下限值，通常取ω_min＝0.1，ω_max＝0.9；T_max為迭代的最大次數(shù)；A為t＝0時(shí)ω的振幅；T_ped為慣性權(quán)重因子振幅變化的周期；

回歸公式(14)，是單個(gè)粒子m最優(yōu)的發(fā)射功率分配，表示整個(gè)族群最優(yōu)的發(fā)射功率分配，是單個(gè)粒子m在j時(shí)刻的發(fā)射功率分配,其中0≤j≤t，是單個(gè)粒子m在t時(shí)刻的發(fā)射功率分配，分別通過下面公式更新：

2.依據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述功率分配過程，其分配迭代過程表述如下：

(1)初始化粒子群；

(2)粒子群粒子表示為Π＝{1,...,M}，然后他們的位置和速度分別被初始化為和迭代次數(shù)表示為T_max；

(3)接收子信道分配結(jié)果；

(4)初始化個(gè)體最優(yōu)位置

(5)初始化全局最優(yōu)位置

(6)粒子群尋找全局最優(yōu)；

(7)當(dāng)?shù)螖?shù)T≤T_max，根據(jù)阻尼震動(dòng)ω(t)＝|ω_maxexp(1/T_max)ln(A/ω_max)tcos((π/T_ped)t)|+ω_min來更新和

(8)對(duì)于每一個(gè)粒子計(jì)算個(gè)體適應(yīng)度和群體適應(yīng)度方差和如果則否則

(9)更新

(10)如果則否則

(11)重復(fù)(7)-(11)步驟直至迭代結(jié)束或收斂；

(12)輸出最優(yōu)位置信息作為最優(yōu)的功率分配結(jié)果。