[发明专利]一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法

权利要求书

1.一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据当前信道状态信息，计算各基站到所有用户的信干噪比和频谱效率；

基站j到用户i的信干噪比和频谱效率分别计算为：

其中，SINR_ij表示基站j到用户i的信干噪比，q表示基站集合中标号不为j的基站，p_j表示基站j的发射功率，p_q表示基站q的发射功率，h_ij表示仅考虑路径损耗的基站j到用户i之间的信道增益，h_iq表示仅考虑路径损耗的基站q到用户i之间的信道增益，σ²表示噪声功率；c_ij表示基站j到用户i的频谱效率，W是系统带宽，k_j是由基站j提供服务的用户总数，即基站j的负载；log(·)表示取对数操作；

2)初始化网络能效值，建立面向网络能效效用函数优化的用户接入及功率控制数学模型；

3)采用交替迭代的方法求解面向网络能效效用函数优化的用户接入及功率控制数学模型，首先初始化基站的发射功率为最大发射功率，将面向网络能效效用函数优化的用户接入及功率控制数学模型简化为只考虑优化用户连接的问题；然后放缩限制条件，只考虑优化用户连接的问题转化为优化连接的凸问题；采用拉格朗日对偶分解和经典次梯度方法迭代的算法求解该用户连接问题，得到固定功率条件下最优的用户接入矩阵；

用户连接优化问题具体如下：

其中，m_ij＝log(Wlog(1+SINR_ij))是为了简化目标函数表达式引入的参数；

条件放缩后的凸问题具体如下：

将采用拉格朗日对偶分解和经典次梯度方法求解用户连接的迭代算法称作算法一，算法一的迭代计算方法如下：

步骤31：令迭代次数变量n＝0，初始化参数通常可取然后根据下面式(6)初始化参数ν⁽⁰⁾，其中是保证优化连接的凸问题中条件(5b)成立而引入的拉格朗日乘数，ν⁽⁰⁾是保证优化连接的凸问题中条件(5c)成立而引入的拉格朗日乘数，所有符号上标(0)表示迭代次数变量n＝0，即迭代开始时拉格朗日乘数的初始值；

步骤32：n＝n+1，然后根据下面式(7)计算第n+1次迭代过程中的用户接入参数式中上标(n+1)表示第n+1次迭代；

步骤33：将步骤2计算得到的代入下面式(8)，更新第n+1次迭代过程中的参数

步骤34：将步骤3计算得到的代入下面式(6)，更新第n+1次迭代过程中的参数ν⁽ⁿ⁺¹⁾；

步骤35：重复步骤2-4直到收敛，得到最优的用户接入矩阵X^*；

式(6)至式(8)中下标i和j分别表示第i个用户和第j个基站，上标(n)表示迭代次数变量，表示使最大的q的取值，m_iq＝log(Wlog(1+SINR_iq))，ν⁽ⁿ⁾和分别是第n次迭代过程中保证优化连接的凸问题中约束条件(5c)和(5b)成立而引入的拉格朗日乘数；δ⁽ⁿ⁾是迭代步进值，通常可取1/n；

4)将用户接入固定为步骤3)获得的用户接入矩阵，面向网络能效效用函数优化的用户接入及功率控制数学模型简化为只考虑优化发射功率的问题，引入辅助变量得到只考虑优化发射功率的问题的等价问题，利用变量代换进一步将只考虑优化发射功率的问题的等价问题转化为优化功率的凸问题；采用经典的拉格朗日对偶分解和次梯度方法迭代的算法求解此功率控制问题，得到固定用户接入条件下基站最优的发射功率；

优化发射功率的问题具体如下：

优化发射功率的问题的等价问题具体如下：

其中，是引入的辅助变量，U_j＝{i∈U|x_ij＝1}表示所有接入基站j的用户组成的用户集合；

优化发射功率的问题的等价问题进一步转化为优化功率的凸问题，具体如下：

其中，ρ＝{ρ_j}_j∈B，是新引入的辅助变量，满足e为自然常数；和是引入的常数；

将优化功率的凸问题的算法称作算法二，算法二具体如下：

步骤41：令迭代次数变量n＝0，初始化拉格朗日乘数通常可取其中，是保证优化功率的凸问题中条件(11b)成立而引入的拉格朗日乘数，是保证优化功率的凸问题中条件(11a)成立而引入的拉格朗日乘数，是保证优化功率的凸问题中条件(11c)成立而引入的拉格朗日乘数，是保证优化功率的凸问题中条件(11d)成立而引入的拉格朗日乘数；

步骤42：n＝n+1，根据下面式(12)-(15)计算第n+1次迭代过程中的原始变量

步骤43：根据下面式(16)-(19)更新第n+1次迭代过程中的拉格朗日乘数

步骤44：重复步骤2-3直到收敛，得到最优的ρ^*；

步骤45：根据计算得到最优发射功率p^*；

其中，函数f^-1(·)表示取f(x)的反函数；

其中，分别是第n+1次迭代过程中保证问题(11)中条件(11b)，(11a)，(11c)，(11d)成立而引入的拉格朗日乘数；δ⁽ⁿ⁾是迭代步进值，通常可取1/n；[·]⁺表示投影到非负实数域，具体可按照如下公式计算，若m为任意实数，则有：

5)更新发射功率矩阵为4)中得到的发射功率，重复执行步骤3)至4)，直到面向网络能效效用函数优化的用户接入及功率控制数学模型收敛；

6)计算等价能效函数G(η)，判断G(η)＝0是否成立；若成立，则得到网络的最优能效效用函数值为η^*＝η；若不成立，则更新等效的能效效用函数值；

7)重复步骤3)至6)，直到找到使G(η^*)＝0的最佳网络能效的效用函数值η^*；此时即可得到最优的用户接入矩阵和基站发射功率；

8)根据优化得到的结果，确定各基站的发射功率，各基站根据接入矩阵X确定用户接入。