异构无线网络中能量有效的资源分配方法

技术领域

本发明涉及的是一种异构无线网络中资源管理技术领域的方法，具体是异构无线网 络中能量有效的资源分配方法。

背景技术

随着无线通信技术的发展，绿色通信在异构无线网络中也变得越来越重要。移动终 端的功能越来越强大，对数据传输的速率要求越高，同时移动终端的能耗问题就越严重。 由于移动终端电池技术的发展没有跟上无线通信业务的发展，终端能耗问题严重影响到 用户的服务质量。而且随着移动终端的使用时间的增长，移动终端的能耗也是呈指数增 长的。因此，能量有效的上行通信是下一代移动通信技术的关键内容之一，可以有效的 延长移动终端的续航时间，并提高移动终端的传输速率。同时，能量有效的上行通信可 以减少对异构无线网络中其他移动终端的干扰。因此，在下一代移动通信中，能量效率 对于移动终端而言是非常重要的。

异构无线网络中的资源管理技术可以分为两类：一类是单网接入的资源分配，另一 类是多宿主接入的资源分配。前者是异构无线网络中的移动终端选择最佳无线接入网络 进行通信，提升整个系统的性能。如在蜂窝网和无线局域网的混合网络中，针对弹性数 据流服务，可以根据负载均衡选择合适的网络提供服务。后者则是异构无线网络中的移 动终端可以同时接入多个无线接入网络，充分利用各种无线接入技术的资源。如在异构 无线网络中，根据不同的业务需求，让移动终端选接入多个无线接入网络来满足业务需 求，提升系统的总吞吐量。

现有的对异构无线网络的资源分配方法大部分是以最大化系统的总吞吐量为目标， 或是最小化系统的总功耗。只有很少的资源分配方法是提升异构无线网络中能量效率。 在传统的单层网络中，能量效率研究较多，但是不能用于异构无线网络。一般是将无线 接入技术的带宽固定，然后对发射功率资源进行优化，最优化能量效率。这种固定带宽 资源的分配方式会降低系统的性能。不同的移动终端应该自身的功耗和信道状态而被分 配不同的带宽资源，通过这种联合分配带宽资源和发射功率资源的方式，可以提升整个 异构无线网络的上行总能量效率。同时，在资源分配问题中很重要的一点就是服务质量 保证，急需要满足用户的传输速率需求。

综上所述，现有的异构无线网络的资源分配方法不能有效的用于提升整个系统的移 动终端的能量效率和。带宽资源和功率资源的联合分配也是很有必要，并且异构无线网 络中的移动终端的能量效率和问题也没有相关解决方法。

发明内容

本发明针对异构无线网络的多宿主接入资源分配，提出了一种基于用户服务质量的 最大化移动终端能量效率和的资源分配方法。本发明可以充分利用系统中的无线接入技 术，将整个异构无线网络中的无线资源进行整合，然后有效的分配给移动终端，进行能 量有效的资源分配，在满足用户服务质量需求的同时，最大化上行通信中移动终端的能 量效率和。本发明对无线接入技术的带宽资源和移动终端的功率资源进行联合分配，可 以获得更高的能量效率。

根据本发明提供的一种异构无线网络中能量有效的资源分配方法，包括如下步 骤：

步骤1，初始化移动终端的功率分配采用平均分配功率的方式：

${\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}=P_m^T/N,$

其中，表示第m个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率，为第m个 移动终端的最大发射功率，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，M表示移动终端的总个数，N表示 异构无线网络中无线接入技术的总种数；N种无线接入技术都工作在不同的频带，M个 移动终端都具有同时接入多种无线接入技术的能力；

步骤2，将功率分配带入能量有效的带宽分配方法中，确定无线接入技术的能量 有效的最优带宽分配

步骤3，将能量有效的最优带宽分配带入能量有效的功率分配方法中，分别确定 每个移动终端的能量有效的最优功率分配

步骤4，将步骤3得到的能量有效的最优功率分配步骤2得到的能量有效的最 优带宽分配分别带入下式中的p_mn、x_mn，计算出异构无线网络的能量效率和

$\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\eta }_m^{\mathrm{EE}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_n{x}_{\mathrm{mn}}\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{g_{\mathrm{mn}}{p}_{\mathrm{mn}}}{x_{\mathrm{mn}}})}{{ϵ}_m·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{mn}}+P_m^C}$

其中，表示第m个移动终端的能量效率EE；ε_m表示第m个移动终端的功放系数 的倒数，表示第m个移动终端的电路功耗，β_n表示第n种无线接入技术的效率，g_mn表示第n种无线接入技术与第m个移动终端之间的信道增益；x_mn表示第m个移动终端 分配给第n种无线接入技术的带宽分配；p_mn表示第m个移动终端分配给第n种无线接 入技术的发射功率；

步骤5，重复上述步骤2、步骤3以及步骤4，更新能量有效的最优带宽分配和 能量有效的最优功率分配直到能量效率和不再增加为止。

优选地，所述步骤2具体包括如下子步骤：

步骤2.1：初始化拉格朗日乘子λ_m和μ_n；

步骤2.2：利用步骤1中初始化的功率分配通过次梯度法计算能量有效的带宽 分配，表达式如下：

$x_{\mathrm{mn}}^{k+1}={[x_{\mathrm{mn}}^k+{\alpha }_0·\frac{\partial L}{\partial x_{\mathrm{mn}}^k}]}^{+},\forall m,n$

$\frac{\partial L}{\partial x_{\mathrm{mn}}}=(\frac{1}{{ϵ}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}+{\lambda }_m){\beta }_n(\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}{x_{\mathrm{mn}}})-\frac{g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}{(x_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}})\ln 2}){-\mu }_n\le 0,$

其中，k为迭代次数，表示第k+1次迭代时第n种无线接入技术分配给第m个移 动终端的带宽分配，表示第k次迭代时第n种无线接入技术分配给第m个移动终端的 带宽分配，α₀表示次梯度法的固定迭代步长，L为能量有效的带宽分配问题对应的拉格 朗日函数，m和n均为正整数，ε_m表示第m个移动终端的功放系数的倒数，表示第m 个移动终端的电路功耗，β_n表示第n种无线接入技术的效率，g_mn表示第n种无线接入 技术与第m个移动终端之间的信道增益，[z]⁺＝max{z,0}，即符号[·]⁺表示取该符号中 的值与0之间较大者；

步骤2.3：利用初始化的功率分配和带宽分配x_mn更新拉格朗日乘子λ_m和μ_n：

${\lambda }_m^{k+1}={[{\lambda }_m^k-{\alpha }_1({\tilde{r}}_m-R_m)]}^{+}$

${\mu }_n^{k+1}={[{\mu }_n^k-{\alpha }_2(X_n-\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{mn}})]}^{+}$

其中，α₁和α₂为固定迭代步长，表示第m个移动终端的数据速率，R_m表示第m个 移动终端的数据速率需求，X_n表示第n种无线接入技术的总带宽资源；表示第k+1 次迭代中对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中 对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k+1次迭代中对应 于第n种无线接入技术的带宽资源约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中对应于第 n种无线接入技术的带宽资源约束的拉格朗日乘子；

步骤2.4：带宽分配x_mn没有收敛或未达到最大迭代次数，则转至步骤2.2继续迭代， 否则，转至步骤2.5；

步骤2.5：结束迭代，将迭代结束时的带宽分配x_mn作为第m个移动终端分配给第n 种无线接入技术的能量有效的最优带宽分配其中，所述最优带宽分配是指：使上 行通信中的能量效率和最大的带宽分配。

优选地，所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：初始化能效参量η；

步骤3.2：初始化拉格朗日乘子ν_m和ω_m，功率分配表示第0次迭代时第m 个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率；

步骤3.3：利用步骤2确定的能量有效的最优带宽分配计算功率分配p_mn，p_mn表示第m个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率：

$p_{\mathrm{mn}}={[\frac{(1+v_m){\hat{x}}_{\mathrm{mn}}}{(\eta ·{ϵ}_m+{\omega }_m)\ln 2}-\frac{{\hat{x}}_{\mathrm{mn}}}{g_{\mathrm{mn}}}]}^{+}$

其中，ν_m表示对应于第m个移动终端速率约束的拉格朗日乘子，ω_m表示对应于第m个 移动终端发射功率约束的拉格朗日乘子，ε_m表示第m个移动终端的放大系数的倒数， g_mn表示第m个移动终端与第n种无线接入技术之间的信道增益，η表示能效参量；

步骤3.4：利用计算出的功率分配p_mn和确定的能量有效的最优带宽分配更新拉 格朗日乘子ν_m和ω_m；

$v_m^{k+1}={[v_m^k-{\alpha }_3({\hat{r}}_m-R_m)]}^{+}$

${\omega }_n^{k+1}={[{\omega }_n^k-{\alpha }_4(P_m^T-\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{mn}})]}^{+}$

其中，α₃和α₄为固定迭代步长，表示第m个移动终端的数据速率，R_m表示第m 个移动终端的数据速率需求，表示第m个移动终端的总发射功率；表示第k+1次 迭代中对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中 对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k+1次迭代中对应 于第n种无线接入技术的发射功率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中对应于第 n种无线接入技术的发射功率约束的拉格朗日乘子；

步骤3.5：功率分配p_mn没有收敛或者没有达到最大迭代次数，则转至步骤3.3继续 迭代；否则，转至步骤3.6；

步骤3.6：计算参量最优化问题的最优值E(η)：

$E\left(\eta \right)={\hat{r}}_m-\eta ·P_m$

其中，表示第m个移动终端所得到的传输速率，P_m表示第m个移动终端的总功率；

步骤3.7：更新能效参量η：

$\eta =\frac{{\hat{r}}_m}{P_m}$

步骤3.8：如果参量最优化问题的最优值E(η)不为0，则转至步骤3.2；否则，转至 步骤3.9；

步骤3.9：将的值更新为此时的功率分配p_mn(即迭代得到的p_mn)，得到第m个 移动终端分配给第n种无线接入技术的能量有效的最优功率分配

与现有的技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明涉及异构无线网络中能量有效的资源分配方法。异构无线网络中的移动终端 需要同时接入多种无线接入技术来满足自身的传输速率需求。本发明通过联合分配带宽 资源和功率资源，满足移动终端的服务需求，最大化上行通信的能量效率和。本发明首 先给定功率分配，进行能量有效的带宽资源分配，得到带宽分配之后，再进行能量有效 的功率资源分配。每次迭代都执行上述两步，在前一次迭代得到的能量有效的资源分配 的基础上，再进行带宽资源和功率资源的最优分配，重复迭代直到获得能量有效的资源 分配，最大化系统的能量效率和。在此基础上，本发明提出了一种异构无线网络中能量 有效的资源分配方法，基于此方法，可以联合分配异构无线网络中的带宽资源和功率资 源，并在满足移动终端的服务质量需求的前提下，提升整个网络的上行能量效率。

附图说明

图1为异构无线网络系统模型。

图2为能量效率和关于移动终端数量的变化情况。

图3提出的方法在不同最小速率R_m下的收敛情况。

图4不同电路功耗下能量效率和关于最小速率需求的变化情况。

图5为本发明的方法流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。需要解释的是，本发明不局 限于下述具体实施方法，本领域的相关人员可以进行部分变形或改进，并不影响本发明 的实际内容。

在本发明中，整个异构无线网络中能量有效的资源分配方法包含三个部分：给定功 率分配之后进行能量有效的带宽资源分配，得到带宽资源分配之后进行能量有效的功率 资源分配，最后计算能量效率和，重复前面两个部分直到能量效率和的值收敛，得到能 量有效的最优资源分配。

本发明适用于异构无线网络环境，如附图1所示。异构无线网络中有N种无线接入 技术、M个移动终端。无线接入技术都工作在不同的频带，因此它们之间没有干扰。 这些移动终端都具有同时接入多种无线接入技术的能力。移动终端与无线接入技术之间 的信道模型采用路损模型，路损指数设定为4。

本实施方式中本发明提供的方法包括如下步骤：

步骤1，初始化移动终端的功率分配采用平均分配功率的方式：

${\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}=P_m^T/N,$

其中，表示第m个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率，为第m个 移动终端的最大发射功率，m＝1,2,…,M，n＝1,2,…,N，M表示移动终端的总个数，N表示 异构无线网络中无线接入技术的总种数；N种无线接入技术都工作在不同的频带，M个 移动终端都具有同时接入多种无线接入技术的能力；

步骤2，将功率分配带入能量有效的带宽分配方法中，确定无线接入技术的能量 有效的最优带宽分配

所述步骤2具体包括如下子步骤：

步骤2.1：初始化拉格朗日乘子λ_m和μ_n；

步骤2.2：利用步骤1中初始化的功率分配通过次梯度法计算能量有效的带宽 分配，表达式如下：

$x_{\mathrm{mn}}^{k+1}={[x_{\mathrm{mn}}^k+{\alpha }_0·\frac{\partial L}{\partial x_{\mathrm{mn}}^k}]}^{+},\forall m,n$

$\frac{\partial L}{\partial x_{\mathrm{mn}}}=(\frac{1}{{ϵ}_m\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}+{\lambda }_m){\beta }_n(\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}{x_{\mathrm{mn}}})-\frac{g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}}}{(x_{\mathrm{mn}}+g_{\mathrm{mn}}{\tilde{p}}_{\mathrm{mn}})\ln 2}){-\mu }_n\le 0,$

其中，k为迭代次数，表示第k+1次迭代时第n种无线接入技术分配给第m个移 动终端的带宽分配，表示第k次迭代时第n种无线接入技术分配给第m个移动终端的 带宽分配，α₀表示次梯度法的固定迭代步长，L为能量有效的带宽分配问题对应的拉格 朗日函数，m和n均为正整数，ε_m表示第m个移动终端的功放系数的倒数，表示第m 个移动终端的电路功耗，β_n表示第n种无线接入技术的效率，g_mn表示第n种无线接入 技术与第m个移动终端之间的信道增益，[z]⁺＝max{z,0}，即符号[·]⁺表示取该符号中 的值与0之间较大者；

步骤2.3：利用初始化的功率分配和第n种无线接入技术分配给第m个移动终端 的带宽分配x_mn更新拉格朗日乘子λ_m和μ_n：

${\lambda }_m^{k+1}={[{\lambda }_m^k-{\alpha }_1({\tilde{r}}_m-R_m)]}^{+}$

${\mu }_n^{k+1}={[{\mu }_n^k-{\alpha }_2(X_n-\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{x}_{\mathrm{mn}})]}^{+}$

其中，α₁和α₂为固定迭代步长，表示第m个移动终端的数据速率，R_m表示第m个 移动终端的数据速率需求，X_n表示第n种无线接入技术的总带宽资源；表示第k+1 次迭代中对应于数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中对应于第m个移动 终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k+1次迭代中对应于第n种无线接入 技术的带宽资源约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中对应于第n种无线接入技术 的带宽资源约束的拉格朗日乘子；

步骤2.4：带宽分配x_mn没有收敛或未达到最大迭代次数，则转至步骤2.2继续迭代， 否则，转至步骤2.5；

步骤2.5：结束迭代，将迭代结束时的带宽分配x_mn作为第m个移动终端分配给第n 种无线接入技术的能量有效的最优带宽分配其中，所述最优带宽分配是指：使上 行通信中的能量效率和最大的带宽分配；

步骤3，将能量有效的最优带宽分配带入能量有效的功率分配方法中，分别确定 每个移动终端的能量有效的功率分配；

所述步骤3具体包括如下步骤：

步骤3.1：初始化能效参量η；

步骤3.2：初始化拉格朗日乘子ν_m和ω_m，功率分配表示第0次迭代时第m 个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率；

步骤3.3：利用步骤2确定的能量有效的最优带宽分配计算功率分配p_mn，p_mn表示第m个移动终端分配给第n种无线接入技术的发射功率：

$p_{\mathrm{mn}}={[\frac{(1+v_m){\hat{x}}_{\mathrm{mn}}}{(\eta ·{ϵ}_m+{\omega }_m)\ln 2}-\frac{{\hat{x}}_{\mathrm{mn}}}{g_{\mathrm{mn}}}]}^{+}$

其中，ν_m表示对应于第m个移动终端速率约束的拉格朗日乘子，ω_m表示对应于第m个 移动终端发射功率约束的拉格朗日乘子，ε_m表示第m个移动终端的放大系数的倒数， g_mn表示第m个移动终端与第n种无线接入技术之间的信道增益，η表示能效参量；

步骤3.4：利用计算出的功率分配p_mn和确定的能量有效的最优带宽分配更新拉 格朗日乘子ν_m和ω_m；

$v_m^{k+1}={[v_m^k-{\alpha }_3({\hat{r}}_m-R_m)]}^{+}$

${\omega }_n^{k+1}={[{\omega }_n^k-{\alpha }_4(P_m^T-\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{mn}})]}^{+}$

其中，α₃和α₄为固定迭代步长，表示第m个移动终端的数据速率，R_m表示第m 个移动终端的数据速率需求，表示第m个移动终端的总发射功率；表示第k+1次 迭代中对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中 对应于第m个移动终端的数据速率约束的拉格朗日乘子，表示第k+1次迭代中对应 于第n种无线接入技术的发射功率约束的拉格朗日乘子，表示第k次迭代中对应于第 n种无线接入技术的发射功率约束的拉格朗日乘子；

步骤3.5：功率分配p_mn没有收敛或者没有达到最大迭代次数，则转至步骤3.3继续 迭代；否则，转至步骤3.6；

步骤3.6：计算参量最优化问题的最优值E(η)：

$E\left(\eta \right)={\hat{r}}_m-\eta ·P_m$

其中，表示第m个移动终端所得到的传输速率，P_m表示第m个移动终端的总功率；

步骤3.7：更新能效参量η：

$\eta =\frac{{\hat{r}}_m}{P_m}$

步骤3.8：如果参量最优化问题的最优值E(η)不为0，则转至步骤3.2；否则，转至 步骤3.9；

步骤3.9：将的值更新为此时的功率分配p_mn(即迭代得到的p_mn)，得到第m个 移动终端分配给第n种无线接入技术的能量有效的最优功率分配

步骤4，将步骤3.9得到的能量有效的最优功率分配步骤2.5得到的能量有效 的最优带宽分配分别带入下式中的p_mn、x_mn，计算出异构无线网络的能量效率和 $\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\eta }_m^{\mathrm{EE}};$

$\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{\eta }_m^{\mathrm{EE}}=\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}\frac{\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\beta }_n{x}_{\mathrm{mn}}\mathrm{lo}{g}_2(1+\frac{g_{\mathrm{mn}}{p}_{\mathrm{mn}}}{x_{\mathrm{mn}}})}{{ϵ}_m·\underset{n=1}{\overset{N}{\Sigma }}{p}_{\mathrm{mn}}+P_m^C}$

其中，表示第m个移动终端的能量效率EE(Energy Efficiency)；

步骤5，重复上述步骤2、步骤3以及步骤4，更新能量有效的最优带宽分配和 能量有效的最优功率分配直到能量效率和不再增加为止。

在本实施例中，图2表示本发明提出的方法、能量有效的功率分配方法和能量有效 的带宽分配方法的性能比较。能量有效的带宽分配方法中，传输功率平均分配给所有接 入的无线接入技术，而只对带宽进行能量有效的优化。能量有效的功率分配方法中，每 个无线接入技术将带宽资源平均分配给所有接入的移动终端，而只对发射功率进行优 化。图2说明本发明所提出的方法比单独分配带宽资源或是功率资源的方法更能提升系 统的能量效率和。而且随着移动终端的数量增加，能量效率和的值也是先增加后减少。 图3描述了本实施例在不同最小数据速率需求下的收敛速度。从图3中可以看出本实施 例可以很快的收敛，大概在第五次迭代的时候已经收敛，而且本实施例的收敛速度对最 小速率需求的变化不敏感。当数据速率需求越高时，系统的能量效率和越低。图4描述 了本实施例在不同电路功耗下能量效率和关于最小数据速率需求的变化情况。移动终端 的电路功耗越低，系统的能量效率和越高。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特 定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影 响本发明的实质内容。