[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

说明书

本发明公开了一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法，引入对数效用模型，联合优化异构网中的用户接入以及功率控制，实现网络能效的效用值最大化，按如下步骤进行：首先，所有基站通过导频序列估计得到当前的用户信道状态信息；然后，根据信道信息构建网络能效效用最大化问题；最后，分别考虑最优用户连接和功率控制问题，采用拉格朗日对偶分解和辅助变量代换等方法，将原问题转化为一系列凸的子问题，交替迭代优化直到算法收敛，得到最优的用户连接和传输功率分配方案。本发明方法综合考虑异构网中用户接入和功率控制的优化，以网络能效效用作为优化的目标函数，在保证了用户公平性和吞吐量的同时实现高能效传输。

技术领域

本发明涉及一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法，属于异构网能效管理技术领域。

背景技术

异构网络是一种新型的网络拓扑结构，传统的蜂窝网只配备有单一的宏基站，而异构网络除了宏基站之外还额外配置一些低发射功率的小基站，宏基站主要保证无缝覆盖，小基站可以用来改善边缘用户速率。由于小基站成本低，配置灵活，异构网络的频谱效率可以得到大幅提升。在改善系统性能的同时，异构网络的设计也面临着很多挑战。

用户接入是异构网中的一个值得考虑的问题。由于小基站的发射功率通常要远低于宏基站的功率，如果采用传统的基于路径损耗或者信号接收强度的用户接入方法，大部分用户往往被接入高发射功率的宏基站，而宏基站本身的资源有限，接入过多用户会造成宏基站负载过重，使得被服务用户的实际速率偏低。如果将多余的用户分给负载较轻的小基站，就能很好的平衡网络负载，大大提高系统整体性能。因此，如何实现异构网中高效的用户接入和负载平衡是一个重要的问题。功率控制是另一个与用户接入紧密相关的资源分配问题。合理设置基站的发射功率可以减轻不同基站之间的干扰，提高系统整体的可达速率。另外，通过控制功率也可以节省不必要的能量消耗，符合绿色通信的原则。因此，联合考虑异构网中用户接入和功率控制对于提升系统性能具有重要的意义。

近年来，由于无线网络的能耗日益增长，能量效率逐渐成为5G网络中的重要指标。但是目前优化能效主要是考虑最大化单位能耗的可达速率，有可能导致网络中用户极不公平的服务。更有实际意义的指标往往是网络的效用函数，即达到更好的整体用户体验，而不是简单的速率和最大化。因此，在能效的优化中引入效用函数是很有必要的，通过联合优化用户接入和发射功率来实现网络能效的效用函数最大化在实际中有广泛的应用前景。

发明内容

技术问题：为了解决异构网中的能量的效用函数优化问题，本发明提出一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法，通过变量代换和拉格朗日对偶的分析方法，联合优化用户接入和基站发射功率，在保证用户公平性的同时实现高能效传输。

技术方案：为了实现上述目标，本发明提出一种高能效的异构网络用户接入和功率控制方法，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；

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；

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；