[發(fā)明專利]一種基于聯(lián)合保密程度和功率消耗優(yōu)化的上行雙連接數(shù)據(jù)分流方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201810364696.4
• 申請日: 2018-04-23
• 公開（公告）號: CN108810885A
• 公開（公告）日: 2018-11-13
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 吳遠(yuǎn);吳偉聰;倪克杰;毛浩偉;石佳俊;錢麗萍;黃亮
• 申請（專利權(quán)）人: 浙江工業(yè)大學(xué)
• 主分類號: H04W12/02
• 分類號: H04W12/02;H04W28/10;H04W52/02
• 代理公司: 杭州斯可睿專利事務(wù)所有限公司 33241
• 代理人: 王利強(qiáng)

1.一種基于聯(lián)合保密程度和功率消耗優(yōu)化的上行雙連接數(shù)據(jù)分流方法，其特征在于，所述方法包括以下步驟：

(1)在基站BS的覆蓋范圍下有一個移動用戶MU，同時部署了一個小蜂窩輔助網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)AP通過“雙連接”為MU提供數(shù)據(jù)分流服務(wù)；

在無線網(wǎng)絡(luò)中，在滿足數(shù)據(jù)保密性要求以及能量有效性的情況下最小化MU的總功率消耗的優(yōu)化問題描述為如下所示的非凸性優(yōu)化問題P1問題，該問題表示如下：

min p_iA+p_iB

限制條件：

x_iA≥0

x_iB≥0

控制變量：(x_iA，p_iA)和(x_iB，p_iB)

在P1問題中，x_iB表示BS側(cè)MU所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)需求流量，p_iB表示BS側(cè)MU消耗的能量；x_iA表示AP側(cè)MU所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)需求流量，p_iA表示AP側(cè)MU消耗的能量；P_out是關(guān)于p_iA和x_iA的函數(shù)，表示為P_out(p_iA，x_iA)，式(1-5)是通過香農(nóng)定理得到的；

將問題中的各個變量的含義說明如下：

p_iA：AP側(cè)MU消耗的能量/W；

p_iB：BS側(cè)MU消耗的能量/W；

x_iB：BS側(cè)MU所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)需求流量；

x_iA：AP側(cè)MU所能達(dá)到的最大數(shù)據(jù)需求流量；

W_B：MU到BS的信道帶寬/HZ；

W_A：MU到AP的信道帶寬/HZ；

g_iA：MU到AP的信道增益；

g_iB：MU到BS的信道增益；

g_iE：MU到竊聽者的信道增益；

n_A：MU到AP的背景噪聲功率/W；

n_B：MU到BS的背景噪聲功率/W；

n_E：MU到竊聽者的背景噪聲功率/W；

MU到AP可以獲得的最大保密數(shù)據(jù)吞吐量；

P_out：AP在給MU提供數(shù)據(jù)分流服務(wù)時的保密性溢出的概率

MU到AP的最大消耗能量/W；

MU到BS的最大消耗能量/W；

MU的保密性溢出概率的上界；

∈_i：MU的保密性溢出概率；

α_i：MU到竊聽者信道增益的平均值；

(2)通過對P1問題的分析，將P1問題分解為一個底層子問題P1-Sub和一個頂層問題P1-Top進(jìn)行優(yōu)化求解，其中的底層子問題P1-Sub如下所示：

V(∈_i)＝min P_iA+P_iB

限制條件：P_out(p_iA，x_iA)＝∈_i (2-1)

x_iA≥0

x_iB≥0

控制變量：(x_iA，P_iA)和(x_iB，P_iB)

頂層問題P1-Top如下所示：

min V(∈_i)

限制條件：

控制變量：∈_i

在P1問題的優(yōu)化求解過程中，先對底層子問題P1-Sub進(jìn)行逐步的優(yōu)化求解；

(3)保密性溢出的概率函數(shù)P_out(p_iA，x_iA)表達(dá)式如下：

上式中的表示MU到AP可以獲得的最大保密數(shù)據(jù)吞吐量，其表達(dá)式如下：

將式(3-2)代入(3-1)得到P_out(p_iA，x_iA)表達(dá)式如下：

定義一個輔助量表示MU到AP的有效信道功率增益，其表達(dá)式如下：

結(jié)合式(3-4)得到P_out(p_iA，x_iA)表達(dá)式如下：

(4)通過對(1-1)和(3-5)進(jìn)行聯(lián)立分析，得到(1-1)的限制表達(dá)式如下：

定義一個新的變量θ_iA來量化保密性需求的影響，θ_iA的表達(dá)式如下：

通過對(4-1)的進(jìn)一步轉(zhuǎn)化，得到(1-1)的等效表達(dá)式如下：

而在P1問題的最優(yōu)化方案中，上式為問題的一個嚴(yán)格約束，而在問題分析中，MU的分流數(shù)據(jù)流量速率滿足如下表達(dá)式：

通過(2-2)以及(4-4)的分析得到如下表達(dá)式：

因此，通過聯(lián)立(2-5)和(4-5)，得到表達(dá)式如下：

(5)P1-Sub問題的等效轉(zhuǎn)化，代入(4-5)、(4-6)及以上的各關(guān)系到P1-Sub問題，得到P2問題表示如下：

限制條件：

控制變量：P_iA

對(5-1)進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，得到表達(dá)式如下：

同樣對(5-2)也進(jìn)行等效轉(zhuǎn)化，得到表達(dá)式如下：

通過(5-3)與(5-4)將P2問題進(jìn)行等價(jià)轉(zhuǎn)化為P2-E問題，“E”表示的是等價(jià)的，如下：

限制條件：條件(1-3)

條件(5-3)

條件(5-4)

控制變量：P_iA

P2-E問題中的限制條件(5-3)和(5-4)都與P_iA成線性關(guān)系，所以在參數(shù)設(shè)置上，三個限制條件(5-3)、(5-4)、(1-3)產(chǎn)生了一個關(guān)于P_iA的可行區(qū)間，即

(6)P2-E問題看成是一個凸性優(yōu)化問題，對P2-E中的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行一階求導(dǎo)，得到其一階導(dǎo)數(shù)表達(dá)式如下：

通過分析知道是關(guān)于P_iA的遞增函數(shù)；

(7)在給定和的情況下，根據(jù)P2-E問題中目標(biāo)函數(shù)的一階導(dǎo)數(shù)的單調(diào)性求解該問題的算法SolP2E如下；

步驟7.1：設(shè)置計(jì)算誤差的容忍值為γ，flag＝1；

步驟7.2：如身成立，那么執(zhí)行步驟7.6；如果成立，那么執(zhí)行步驟7.6，否則執(zhí)行步驟7.3；

步驟7.3設(shè)置

步驟7.4：當(dāng)flag＝1時，得到如果成立，那么同時設(shè)置flag＝0，執(zhí)行步驟7.6；

步驟7.5：如果成立，當(dāng)滿足時，更新返回步驟7.4；當(dāng)滿足時，更新返回步驟7.4；

步驟7.6：結(jié)束循環(huán)；

步驟7.7：輸出P2-E問題的當(dāng)前最優(yōu)解為

(8)在算法SolP2E中，是在給定p_iA的上界與下界的情況下計(jì)算的，所以要對p_iA的上界與下界進(jìn)行求解，需要考慮多種情況下的和定義兩個新的參量K和L，其表達(dá)式如下所示：

通過參量K和L，(5-3)和(5-4)轉(zhuǎn)化為如下表達(dá)式：

基于以上(8-3)和(8-4)兩式來得到和需要考慮不同情況下的K和L，首先通過分析(8-3)，得到兩種不同的情況，即Case I：KL≥1；

Case II：KL＜1；

Case I是在KL≥1下的情況，在這種情況下，滿足W_B log₂(1+piBmaxgiBnB≥Rireq，表示BS能滿足MU的全部流量需求，不需要AP進(jìn)行數(shù)據(jù)分流；相反，Case II在KL＜1下的情況下，BS不能滿足MU全部的數(shù)據(jù)流量需求，因此，P2-E問題在Case II情況下可能是不可行的；

若KL≥1，即為Case I，通過分析得到兩種子情況，如下：

Case I.1：當(dāng)時，得到

Case I.2：當(dāng)時，得到

若KL＜1，即為Case II，通過分析得到五種子情況，如下：

Case II.1：當(dāng)P2-E問題不可行；

Case II.2a：當(dāng)且時，得到

Case II.2b：當(dāng)且時，P2-E問題不可行；

Case II.3a：當(dāng)且時，得到

Case II.3b：當(dāng)且時，

P2-E問題不可行；

最終得到以下各情況：

Case I.

Case

I.

Case II.P2-E問題不可行；

Case II.

Case II.P2-E問題不可行；

Case II.

Case II.

P2-E問題不可行；

通過以上過程得到和代入算法SolP2E得到最優(yōu)解通過得到的最優(yōu)解得到P2-E問題相應(yīng)的其他三個最優(yōu)解如下：

以上為P2-E問題的最優(yōu)解，即為P1-Sub問題中，MU在AP側(cè)消耗能量的最優(yōu)解MU在AP側(cè)數(shù)據(jù)分流需求最優(yōu)解MU在BS側(cè)消耗能量的最優(yōu)解MU在BS側(cè)數(shù)據(jù)需求的最優(yōu)解

(9)頂層問題P1-Top的優(yōu)化求解，通過對底層子問題的分析，頂層問題P1-Top表示如下所示：

限制條件：

控制變量：∈_i

根據(jù)∈_i在可行范圍內(nèi)的線性搜索法來求解P1-Top的算法SolP1Top如下所示：

步驟9.1：設(shè)置當(dāng)前最優(yōu)解CBS為空集，當(dāng)前最優(yōu)能量消耗值CBV＝∞，同時設(shè)置∈_i的初值為Δ，步長也為Δ；

步驟9.2：如果∈_i滿足則執(zhí)行步驟9.3；否則執(zhí)行步驟9.6；

步驟9.3：將∈_i帶入頂層問題P1-Top的目標(biāo)函數(shù)中，判斷所得到的V(∈_i)是否小于當(dāng)前最優(yōu)能量消耗值CBV；

步驟9.4：如果V(∈_i)≥CBV成立，那么更新∈_i＝∈_i+Δ，返回步驟9.2；

步驟9.5：如果V(∈_i)＜CBV成立，那么更新當(dāng)前最優(yōu)解當(dāng)前最優(yōu)能量消耗值為V^*(∈_i)，同時更新∈_i＝∈_i+Δ，返回步驟9.2；

步驟9.6：結(jié)束循環(huán)；

步驟9.7：如果當(dāng)前最優(yōu)能量消耗值CBV為∞，那么P1問題不可行，否則輸出當(dāng)前最優(yōu)解當(dāng)前最優(yōu)能量消耗值為V^*(∈_i)；

(10)通過對P1問題的分層求解，得到MU在AP側(cè)消耗能量的最優(yōu)解MU在AP側(cè)數(shù)據(jù)分流需求最優(yōu)解MU在BS側(cè)消耗能量的最優(yōu)解MU在BS側(cè)數(shù)據(jù)需求的最優(yōu)解MU的保密性程度最優(yōu)解MU的最優(yōu)能量消耗值為V^*(∈_i)。