一种协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法.pdf

(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN106604400A(43)申请公布日2017.04.26(21)申请号201611268326.8(22)申请日2016.12.31(71)申请人山东大学地址250199山东省济南市历城区山大南路27号(72)发明人马丕明余彬马艳波(74)专利代理机构济南金迪知识产权代理有限公司37219代理人叶亚林(51)Int.Cl.H04W72/04(2009.01)权利要求书5页说明书15页附图1页(54)发明名称一种协作蜂窝网络的资源分配和能量管理方法(57)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。CN106604400ACN106604400A权利要求书1/5页1.一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：2CN106604400A权利要求书2/5页其中，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：3CN106604400A权利要求书3/5页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：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：将式(10)代入式(11)，并应用KKT条件得到：其中，4CN106604400A权利要求书4/5页应用充要条件(6)中的第二个条件可得：Hi,k,n最小的用户被分配到第n个子载波，即：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：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：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：根据能量共享的原则可知基站不需要共享能量，即：基站购买其所能购买到的所有的可再生能源，即：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：基站i所购买可再生能源为其