73] 设负载密度Ki(x，n)为流量强度与传输速率的比值，其中，
[0075] 设用户在位置x接入基站i的概率为qi(x)，其中，qi(x) e [0, 1]，
[0076] 设函数fi(n)的表达式为：
[0077] fi(n) =min{jLKi(x,n)qi(x)dx, I-eI (4)
[0078]其中，ε为任意小的正数JLKi(XA)qi(X) cIx为对负载密度的积分JLiCi(x，n)qi(x) dx为基站i的负载，设向量值函数f = [fi，f2，···，fN]T，则负载η为向量值函数f在[0，1广内的 固定点，且负载η满足
[0079] n=f(n) (5)
[0080] 当基站的发射功率
，q(x)eQ时，由式(5)得
[0081] n = f(n,P^q(X)) (6)0
[0082] 步骤3)中建立的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为优化 目标的优化问题为：
[0085] 其中，Ε(ρ'τ?)为能量消耗，Q(Il)为总时延，C(Pt)为网络覆盖的用户比重，扮和此分 别为总时延目标和网络覆盖的用户比重相对于能量消耗目标的权重。
[0086] 能量消耗E(pt，n)的表达式为：
[0092] 当各基站的发射功率为Pt时，则网络覆盖的用户比重C (Pt)的表达式为：
[0093] C(Pt) = JVS(X)cIx (11)
[0094] 其中
[0096] 1/为至少存在一个基站的接收信号强度大于门限值pmin的区域的集合。
[0097]由式(7)得
[0099]将使(7)分解为用户关联问题及功率控制问题，其中，用户关联问题为：
[0107]当各基站的发射功率Pt矣0,当用户按式（18)接入各基站时，则能够保证用户关联 问题取得最小值，其中
[0109] 其中，rf为在各基站发射功率为Pt时，使用户关联问题取最小值的负载，采用迭代 算法求解式(18)，得用户关联问题取最小值的负载rf;
[0110] 将用户关联问题取最小值的负载rf代入功率控制问题中，再通过单形法求解最优 发射功率p'
[0111]采用迭代算法求解式(18)，得用户关联问题取最小值的负载rf的具体操作为： [0112] la)设定任意初始负载n(Q) GF(Pt)。
[0113] 2a)在第k次迭代开始时，终端侧收集到各基站广播的负载n(k)，当位于位置X的终 端需接入基站时，按照如下的关联规则：
[0115] 其中，开启的基站的集合，
[0116] 式（19)定义了小区范围的划分方式
其中，Lfi为第 k次迭代时第i个小区的范围，即
[0118] 3a)当用户按照步骤2接入相应基站使系统性能趋于稳定时，各基站测量各自的负 载以!!00)，即
[0120] 当基站测量得到新的负载T(Iiw) = [T1U00),T2U00)，…，TnU 00)]时，通过式 (22)得新的广播消息ri(k+1)，
[0121] q(k+1)=e(k)n(k)+( ι-β(1?) )T(n(k)) (22)
[0122] β(1?)Ε[0，1)为指数平均参数；
[0123] 4a)重复步骤2)和步骤3)，得负载序列h(k)}随着k的增大会趋近于用户关联问题 取最小值的负载rf。
[0124] 在式（16)中，自变量Pt的变化范围为 I为了方便描述 求解过程，对目标函数做如下修改，其中M是足够大的正常数。
[0126] 用单形法求解功率控制问题包括以下步骤：
[0127] Ib)选择初始的单形顶点集合
[0128] 2b)计算N+1个单形顶点的目标函数值；
[0129] 3b)寻找分别使目标函数值最大和最小的单形顶点，并计算除卩^之外其他 N个顶点的形心Pi ,最大和最小的单形顶点p_l和p丨及形心Pi的函数值分别用yh、yi和;^表 示；
[0130] 4b)按照式(24)计算映射得到的点ptt，相应的函数值记为y'其中α为映射参数，并 且 α>0，
[0132] 5b)判断/〈71是否成立，若是，表明映射得到的点的函数值最小，转到步骤6)，尝试 寻找函数值更小的点；否则，转到步骤8)。
[0133] 6b)按照式(25)计算扩展得到的点pw，相应的函数值记为广，其中，γ为扩展参 数，并且γ>?，
[0135] 7b)判断广〈71是否成立，若是，则经过扩展得到的点的函数值更小，在P冲用P w 替换，得到新的单形顶点集合，转到步骤⑵中；否则，在P冲用Pt增换g，得到新的单 形顶点集合，转到步骤12)中；
[0136] 8b)判断y*>yi，i矣h是否成立，yi为集合
_中点的函数值，若是，则映射得 至_点函数值仍然最大，转步骤9)中；否则，在Ps中用Pt增换1^，得到新的单形顶点集合， 转到步骤12)中；
[0137] 9b)判断y*>yh是否成立，若是，按照式(26)计算收缩得到的点p_，相应的函数值 记为否则，再按式(27)计算，其中，β为收缩参数，并且0〈β〈1，
[0140] 10b)判断y*#>yh是否成立，若是，则收缩得到的点的函数值仍然最大，转到步骤 11)中；否则，在P s中用P_替换Pl，转到步骤⑵中
[0141] lib}在Ps中甩(P丨十p;)^2替换所有的点p:、
[0142] 12b)根据更新后的顶点集合?8计算 若此值小于预先设 定的值θ〇，则结束;否则转到步骤2)中。
【主权项】
1. 一种面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法，其特征在于，包括 以下步骤： 1) 考虑异构蜂窝网络中下行传输场景的基站功率控制和用户关联，设区域L被基站的 集合8={1，2，~，《覆盖，获取用户在位置1接入基站1的信干噪比丫心，11)^已1^，$8，11 为N个基站的负载，再根据香农公式获取在负载为τι的条件下用户在位置X接入基站i的传输 速率 ci(x，n); 2) 根据步骤1)得到的用户在位置X接入基站i的信干噪比γι(χ，η)以及用户在位置X接 入基站i的传输速率 Cl(x，n)得关于负载η的函数； 3) 根据步骤2)得到的关于负载η的函数建立以基站的能量消耗、用户的总时延和网络 覆盖的用户比重为优化目标的优化问题； 4) 将步骤3)得到的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为优化目 标的优化问题分解为用户关联问题及功率控制问题，求解所述用户关联问题，得在各基站 发射功率为pt时，用户关联问题取最小值的负载rf，然后根据用户关联问题取最小值的负载 rf通过单形法求解所述功率控制问题，得最优发射功率，基站根据所述最优发射功率 向用户进行信息的发送。2. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于， 设用户接入网络的过程服从参数为λ的泊松过程，每个业务的平均大小为ybit，用户的 分布密度为Wx)，则单位时间单位面积上需求的数据量σ(χ)=λμδ(χ)，得用户在位置X接入 基站i的信干噪比γ i(x，n)为(1) 其中，11为~个基站的负载，11=[111，叱，~，伽]'化[[〇，1]，/^为基站浦发射功率4心） 为位置X到基站i的路径损耗，θ为噪声功率。3. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于， 在负载为η的条件下，用户在位置X接入基站i的传输速率Cl(x，n)的表达式为： ci(x,n)=B l〇g2(l+γ?(χ,η))⑵ 其中，B为带宽。4. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于， 设负载密度^ (X，η)为流量强度与传输速率的比值，其中，(3) 设用户在位置X接入基站i的概率Sqi(X)，其中，qddetoj]设集合设函数Α(η)的表达式为： fi(n) =min{jLKi(x，n)qi(x)dx，l-ε} (4) 其中，ε为任意小的正数JLKi(x，n)qi(x)dx为对负载密度的积分JLKi(x，n)qi(x)dx为 基站i的负载，设向量值函数€=出，以~，&]7，则负载11为向量值函数€在[〇，1穴内的固定 点，且负载η满足 n=f(n) (5) 当基站的发射功率二[i?i，/4,·? f，q(x) EQ时，由式(5)得 n=f (n,pt,q(x)) (6)〇5. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于，步骤3)中建立的以基站的能量消耗、用户的总时延和网络覆盖的用户比重为 优化目标的优化问题为：(7) 其中，Ε(ρ'τ?)为能量消耗，Q(II)为总时延，C(pt)为网络覆盖的用户比重，扮和此分别为 总时延目标和网络覆盖的用户比重相对于能量消耗目标的权重。6. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于，能量消耗E (pt，η)的表达式为：其中 (:9) 根据排队理论得总时延Q(n)的表达式为：(10) 当各基站的发射功率为P时，则网络覆盖的用户比重c(pt)的表达式为： C(pt)=jL^(x)dx (11)其中 (12) 1/为至少存在一个基站的接收信号强度大于门限值Pmin的区域的集合。7. 根据权利要求1所述的面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法， 其特征在于，由式(7)得(13) 将使(7)分解为用户关联问题及功率控制问题，其中，用户关联问题为：(14) 其中 (15) 所述功率控制问题为：(16) 其中 (17) 当各基站的发射功率pt矣〇,当用户按式（18)接入各基站时，则能够保证用户关联问题 取得最小值，其中(18) 其中，rf为在各基站发射功率为pt时，使用户关联问题取最小值的负载，采用迭代算法 求解式(18)，得用户关联问题取最小值的负载rf; 将用户关联问题取最小值的负载rf代入功率控制问题中，再通过单形法求解最优发射 功率P'
【专利摘要】本发明公开了一种面向能量节约的基站功率控制和用户关联的联合优化方法，包括以下步骤：1)考虑异构蜂窝网络中下行传输场景的基站功率控制和用户关联，获取用户在位置x接入基站i的信干噪比γi(x,η)，再根据香农公式获取在负载为η的条件下用户在位置x接入基站i的传输速率ci(x,η)；2)根据步骤1)得到信干噪比γi(x,η)以及传输速率ci(x,η)得关于负载η的函数；3)根据步骤2)得到的优化目标的优化问题；4)将步骤3)得到的优化问题分解为用户关联问题及功率控制问题，求解所述用户关联问题及所述功率控制问题，得最优发射功率pt*，基站根据所述最优发射功率pt*向用户进行信息的发送。本发明使能量消耗、用户总延时和网络覆盖的用户比重达到折中。
【IPC分类】H04W52/34
【公开号】CN105611618
【申请号】CN201511018389
【发明人】曲桦, 赵季红, 任塨晔
【申请人】西安交通大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2015年12月29日