[发明专利]一种协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法

摘要

本发明涉及一种协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法。本发明所述协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法，通过满足每个用户的最小通信速率以保证每个用户的通信质量；不仅能够最小化两个协作通信网络的成本和，同时还能够保证每个用户的通信速率要求。

主权项

一种协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法，由以下系统实现：该系统包括两个蜂窝网络，每个蜂窝网络包括一个基站和Ki个用户，其中i为基站编号，Ki表示在基站i中有Ki个用户，用户集合和分别表示两个基站中用户的集合；两个基站共享同一段频谱，并将整个授权的频带等分成N个带宽相同的子载波，每个子载波的带宽为B；令xi,k,n为子载波分配因子，其中，n表示第n个子载波，子载波的集合当子载波n分配给了基站i中的第k个用户时，xi,k,n＝1；否则，xi,k,n＝0，且每个子载波仅能分配给一个用户；将基站i中的第k个用户在第n个子载波上的信道增益表示为hi,k,n；其特征在于，具体步骤如下：1)计算每个用户的通信速率和：基站与用户之间通过子载波通信，每个用户在其所分配到的所有子载波上的通信速率和为：其中pi,k,n表示基站i中第k个用户在第n子载波上的传输功率，N0表示高斯白噪声的功率谱密度；2)计算每个基站所消耗的能量每个基站的能量消耗有三个部分：第一部分是电路消耗Pc,i；第二部分是发射信号所需要的能量Pi，且第三部分是基站i所共享的能量ei，则基站i消耗的总能量：3)确定优化问题以整个系统的成本为目标函数，每个子载波的分配情况、每个基站从可再生能源公司所能购买的最大能量、每个用户的通信速率和以及每个基站消耗的总能量为约束条件，构造如下优化问题：其中，表示第基站，表示属于集合除去元素i之后的集合；表示可再生能源的单价；表示电网中的电能的单价；Ri,k表示每个用户所需的最小通信速率；Ei表示基站i购买的可再生能源的量；Gi表示基站i从电网中购买的能量；ei表示基站共享给基站i的能量；η表示能量传输效率；表示可再生能源公司所能提供的最大能量；求解目标函数的最小值被称为原问题；4)求解优化问题将整数型变量xi,k,n从原来的0、1取值放松到0到1，即xi,k,n∈[0,1]，重新规划原优化问题：0≤xi,k,n≤1定义符号Ψ代替Ei，Gi和ei，即则原问题的拉格朗日函数为：分别定义和为变量si,k,n和xi,k,n的最优值；通过应用KKT条件，变量si,k,n和xi,k,n取得最优值的充要条件为：原问题的对偶函数为：其中λ,μ,ν分别表示公式(4)中前四个约束条件的对偶向量，λi,k、μi、νn分别表示公式(4)中前四个约束条件中每一个约束式所对应的拉格朗日对偶因子，λi,k、μi、νn分别是对偶向量λ、μ、ν中的元素，对偶函数(7)对应的对偶问题表述如下：对偶问题(8)所求得的最优值即为原问题的最优值；A)最优功率分配求解将原问题的拉格朗日函数对变量si,k,n求偏导，并且令其偏导等于0，即：∂L(x,p,Ψ,v,λ,μ)∂si,k,n=0---(9)]]>求解(9)式，得到基站i中的第k个用户在第n个子载波上的最优传输功率pi,k,n*=si,k,n*xi,k,n*=[λi,kBμiln2-BN0hi,k,n]+---(10)]]>其中符号[]+表示[]中的部分取非负值；B)最优子载波分配求解将原问题的拉尔朗日函数对变量xi,k,n求偏导，即：∂L∂xi,k,n=λi,k[si,k,nhi,k,n(xi,k,nBN0+si,k,nhi,k,n)ln2-Blog2(1+si,k,nhi,k,nxi,k,nBN0)]-vn---(11)]]>将式(10)代入式(11)，并应用KKT条件得到：∂L∂xi,k,n=Hi,k,n-vn---(12)]]>其中，Ki,k,n=λi,kB[1ln2-μiN0λi,khi,k,n-log2λi,khi,k,nμiN0ln2]---(13)]]>应用充要条件(6)中的第二个条件可得：xi,k,n*==0,Hi,k,n>vn=1,Hi,k,n<vn---(14)]]>Hi,k,n最小的用户被分配到第n个子载波，即：xi,k*,n*=1,xi,k,n*=0,∀k≠k*,k*=argminkHi,k,n---(15)]]>其中，符号表示求使得[]内的部分取最小值时k的取值；C)最优能量管理求解情形一、最优的共享能量为0，即：ei*=0---(16)]]>定义能量消耗变量表示基站i的电路消耗和信号传输消耗，且根据优先购买可再生能源的原则，进一步求出最优的和即：Ei*=min(Ec(i),E‾i)---(17)]]>Gi*=max(Ec(i)-E‾i,0)---(18)]]>情形二、最优的共享能量不为0：设且由此可知，基站i不需要从电网中购买能量，即：Gi*=0---(19)]]>根据能量共享的原则可知基站不需要共享能量，即：ei‾*=0---(20)]]>基站购买其所能购买到的所有的可再生能源，即：Ei‾*=E‾i‾---(21)]]>情形a)、基站i共享给基站的能量满足基站的需求，即此时基站i共享的最优能量为：ei*=(Ec(i‾)-E‾i‾)/η---(22)]]>基站i所购买可再生能源为其自身消耗的能量以及其共享给基站的能量即基站i需要购买的可再生能源的能量为：Ei*=Ec(i)+ei*---(23)]]>由于基站i共享给基站的能量能够满足基站的需求，因此基站不需要从电网中购买能量，即：Gi‾*=0---(24)]]>情形b)、基站i共享给基站的能量不能满足基站的需求，即则此时基站i应该购买所有的可再生资源，即：Ei*=E‾i---(25)]]>并且，基站i应该将在满足自身能量需求之外所剩余的可再生能源全部共享给基站即基站i共享给基站的最优能量为：ei*=Ei*-Ec(i)---(26)]]>在基站接收了基站i共享的能量之后，基站还缺少的能量由基站自身向电网购买，即基站向电网购买的能量为：Gi‾*=Ec(i‾)-Ei‾*-ηei*---(27);]]>拉格朗日对偶因子最优值的具体求解过程如下：a)设初始迭代次数t＝0，设每个用户的最小通信速率，初始化对偶因子集合初始值λ(0)，μ(0)为非负实数；b)当迭代次数为t时，用λ(t)，μ(t)表示当前更新的拉格朗日对偶因子，将对偶因子集合λ(t)、μ(t)代入公式(10)和(15)中得到对应的最优信号传输功率和最优子载波分配然后根据式(16)‑(27)计算出最优的能量管理和c)采用以下公式分别更新2种拉格朗日对偶因子：其中，s_λ(t)和s_μ(t)分别表示相应的拉格朗日对偶因子对应的迭代步长，t表示迭代次数；d)令λ*＝λ(t+1)，μ*＝μ(t+1)，若λ*和μ*满足预定义的数据精度，则输出最优对偶因子集合λ*和μ*，否则，令t＝t+1，跳转至步骤b)，继续迭代，直到满足预定义的数据精度；5)计算基站与每个用户通信时的最优发射功率，最优子载波分配以及最优能量管理；将得到的最优拉格朗日因子最优集合λ*和μ*代入式(10)‑(27)中，即可得到在满足每个用户的最低通信速率的条件之下的最优资源分配和能量管理。