[发明专利]一种基于混合波束成形的毫米波移动边缘计算系统中计算效率优化方法

说明书

本发明公开了一种基于混合波束成形的毫米波移动边缘计算系统中计算效率优化方法，根据最大‑最小公平性准则，建立非正交多址接入协议下联合优化基站的混合波束成形和每个用户的本地资源分配的计算效率优化问题，利用罚函数法和非精确块坐标下降法，提出了一种有效的计算效率优化方法，所提方法获得的资源分配方案能够达到较高的计算效率。

技术领域：

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种基于混合波束成形的毫米波移动边缘计算系统中计算效率优化方法。

背景技术：

在即将到来的第五代移动通信(5G)中，网络平均吞吐速率、传输时延、系统安全将会得到显著的提高，同时将更加注重用户体验，比如对虚拟现实、3D、交互式游戏等新兴移动业务的支撑能力。在这一背景下，移动边缘计算(MEC，Mobile Edge Computing)有望成为5G及未来通信中的一项关键技术，这是因为MEC技术能实现更低的延迟，为移动设备节省能源，支持内容感知计算，增强移动应用程序的隐私和安全性等。MEC的基本概念首先被欧洲电信标准化协会于2014年提出，它被定义为“在靠近移动用户的无线接入网络内提供信息技术和云计算能力”的新平台，用户通过将计算任务卸载到附近的MEC服务器上进行计算，可以显著降低网络开销和执行延迟。随着MEC技术的相关理论和实践的不断成熟，融合MEC技术与其他通信领域的新型技术成为了近些年来学术界的研究趋势之一。

一方面，不同于传统的正交多址接入(OMA，Orthogonal Multiple Access)技术，如时分多址和频分多址技术，功率域非正交多址(NOMA，Non-Orthogonal MultipleAccess)技术(以下简称NOMA)通过复用功率域来实现对同一正交资源块的高效利用，可以进一步提高系统通信容量、用户接入数量、频谱效率等。另一方面，毫米波(mmWave，millimeter-wave)通信由于毫米波频段内丰富的频谱资源而成为一种备受期待的频谱开发方案。mmWave通信相比传统移动通信具有以下几个优点：1)超高带宽：mmWave通信的频段范围为30-300GHz，其中可用频谱资源丰富；2)元件尺寸小：mmWave的波长较短，为毫米级别，适合部署大型天线阵列；3)窄波束：相同的天线尺寸下相比微波频段可以封装更多的天线元件，使得形成的波束可以更窄，有利于探测雷达等应用的发展。

基于以上讨论，本发明研究了一个基于混合波束成形的毫米波移动边缘计算系统中计算效率优化方法，将毫米波通信中的混合波束成形技术和NOMA应用于MEC系统中，建立该系统的计算效率优化问题，以提高上述系统的计算效率和保证用户公平性。

发明内容：

针对基于混合波束成形的移动边缘计算系统，本发明旨在提高该系统的计算效率以及保证用户的公平性，通过联合优化基站的混合波束成形和每个用户的本地资源分配来最大化所有用户的计算效率的最小值，提出了一种基于惩罚非精确块坐标下降的计算效率优化算法来获得计算有效的资源分配方案。

本发明所采用的技术方案有：一种基于混合波束成形的毫米波移动边缘计算系统中计算效率优化方法，其特征在于：步骤如下：

步骤S1：建立基于混合波束成形(HBF)的毫米波移动边缘计算(MEC)系统，该系统由U个单天线用户和一个与高性能MEC服务器相连的基站组成，用户和基站之间的信道建模为窄带块衰落毫米波信道，基站采用HBF构架，配有N根天线、N_RF条射频链路、N个功率放大器、NN_RF个移相器和N_S条数据流，且每根天线通过一个功率放大器和N_RF个移相器连接到所有射频链路上。基站的HBF由模拟波束成形(ABF)矩阵和数字波束成形(DBF)矩阵组成，其中的ABF矩阵需要满足恒模约束。为了获得更高的多路复用增益，假设N_S＝N_RF，且所有用户分成G组，每组对应一条独立的数据流，即G＝N_S。采用部分卸载模式，用户使用非正交多址接入(NOMA)协议上传其计算任务到基站的MEC服务器上；