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一種基于隨機幾何的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法與流程

文檔序號:11235508閱讀:547來源:國知局
一種基于隨機幾何的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法與流程

本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域,具體涉及一種無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的功率控制方法。



背景技術(shù):

為了解決無線頻譜資源的短缺,提升蜂窩網(wǎng)絡(luò)容量,增大網(wǎng)絡(luò)覆蓋率以及提升邊緣小區(qū)用戶吞吐量,無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)作為一個可行的方案得到了學(xué)術(shù)界和企業(yè)的廣泛關(guān)注。

對于城郊的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò),小區(qū)基站往往因為地理和部署代價的原因沒能接入傳統(tǒng)電網(wǎng),因此需要通過其他可再生資源來供能,例如太陽能來供電。在這樣的小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中,小區(qū)基站的能耗就顯得尤為重要。

對城郊的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò),或者流量低峰期(例如凌晨三、四點)小區(qū)基站大多都閑置時,可以將基站密度看作很小,此時可以忽略小區(qū)間干擾的影響,因此本發(fā)明針對的是無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)。

綜上所述,通過無干擾小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的功率控制來使得能耗最小的研究是很必要的。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于針對上述現(xiàn)有技術(shù)中的不足,提供一種基于隨機幾何的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法,可以精準(zhǔn)的對基站的發(fā)射功率做一個最優(yōu)的配置。

本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:

一種基于隨機幾何的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法,根據(jù)無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型以及隨機幾何理論確定無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的用戶平均傳輸速率,然后根據(jù)jensen不等式得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率的近似下界,并進(jìn)一步得到小區(qū)基站的能耗,通過構(gòu)建最小化能耗求解最優(yōu)發(fā)射功率。

進(jìn)一步的,包括以下步驟:

s1、建立無干擾小區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型,添加典型用戶并確定信噪比,根據(jù)典型用戶的信噪比確定覆蓋下的用戶平均傳輸速率;

s2、考慮覆蓋下的用戶平均傳輸速率表達(dá)式凸函數(shù)的性質(zhì),根據(jù)jensen不等式得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界;

s3、根據(jù)步驟s2確定的所述覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界確定小區(qū)基站能耗上界;

s4、根據(jù)步驟s3確定的所述基站能耗上界,將小區(qū)基站最優(yōu)發(fā)射功率的求解構(gòu)建成最小化能耗的優(yōu)化問題;

s5、根據(jù)步驟s4構(gòu)建的所述最小化能耗的優(yōu)化問題,確定最優(yōu)發(fā)射功率。

進(jìn)一步的,步驟s1中,所述覆蓋下的用戶平均傳輸速率ar如下:

其中,τ是網(wǎng)絡(luò)信噪比閾值,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,r是最近的基站隨機距離,α是路徑損耗因子,σ2是噪聲功率。

進(jìn)一步的,步驟s2中,所述覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界如下:

其中,r是最近的基站隨機距離,e[r]為最近基站距離r的期望,τ是網(wǎng)絡(luò)信噪比閾值,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,σ2是噪聲功率。

進(jìn)一步的,所述覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界松緊性d如下:

進(jìn)一步的,所述最近基站隨機距離r的期望e[r]如下:

其中,λ是基站密度,是伽馬函數(shù)。

進(jìn)一步的,步驟s3中,所述小區(qū)基站能耗上界如下:

其中,s是傳輸文件大小,w是系統(tǒng)帶寬,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,p0是電路功率,ar是覆蓋下的用戶平均傳輸速率。

進(jìn)一步的,當(dāng)(1+τ)σ22λ-α/2<p0/ln(1+τ)時,所述能耗上界是一個關(guān)于功率p先減后增的凸函數(shù)。

進(jìn)一步的,步驟s4中,所述小區(qū)基站最優(yōu)發(fā)射功率的求解構(gòu)建成最小化能耗的優(yōu)化問題如下:

s.t.p<pmax

其中,pmax是小區(qū)基站的最大發(fā)射功率,s是傳輸文件大小,w是系統(tǒng)帶寬,p0是電路功率,ar是覆蓋下的用戶平均傳輸速率,τ是網(wǎng)絡(luò)信噪比閾值,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,r是最近的基站隨機距離,σ2是噪聲功率,e[r]為最近基站隨機距離r的期望。

進(jìn)一步的,所述步驟s5具體為:先令left=0,right=pmax,然后依次計算和g(p),如果|g(p)|≤ε,則結(jié)束;

如果g(p)>ε則right=p或者g(p)<ε則left=p,重新計算和g(p)直到滿足條件|g(p)|≤ε結(jié)束,此時最優(yōu)發(fā)射功率p*=p,其中,left、right分別是小區(qū)基站發(fā)射功率p的兩個邊界,ε是一個根據(jù)實際需要設(shè)置的無窮小量。

與現(xiàn)有技術(shù)相比,本發(fā)明至少具有以下有益效果:

本發(fā)明基于隨機幾何的無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法利用泊松點過程建模,并利用隨機幾何的相關(guān)理論得到了無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)覆蓋下的用戶的平均傳輸速率,然后根據(jù)其凸函數(shù)的性質(zhì)得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率下界,進(jìn)而確定小區(qū)基站的能耗上界,通過構(gòu)建最小化能耗上界求解最優(yōu)發(fā)射功率,利用已有的基站密度、噪聲功率、信噪比閾值、電路功率等網(wǎng)絡(luò)參數(shù),決定應(yīng)該給基站配置多大的發(fā)射功率將會使得傳輸一個文件的能耗最小,利用泊松點過程對基站和用戶建模,充分考慮到了其隨機性和移動性,利用隨機幾何理論對典型用戶的性能進(jìn)行分析,相比于傳統(tǒng)的基于統(tǒng)計模擬來估計網(wǎng)絡(luò)性能,可以根據(jù)已有的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)預(yù)先決定能耗最小時的基站功率配置。

進(jìn)一步的,本發(fā)明給出的覆蓋下的用戶平均傳輸速率接近蒙特卡洛模擬統(tǒng)計出來的值,并且利用jensen不等式得到的下界是一個較緊的下界,而且會隨著發(fā)射功率與噪聲功率的比值變大而相對更緊。

進(jìn)一步的,將求解基站最優(yōu)發(fā)射功率構(gòu)建承最小化能耗的優(yōu)化問題的好處在于,可以證明問題的目標(biāo)函數(shù)即能耗關(guān)于功率是一個凸函數(shù),于是可以利用本發(fā)明的搜索算法很快的得到最優(yōu)的發(fā)射功率,具有高效性。

綜上所述,本發(fā)明利用泊松點過程建模,考慮了基站和用戶的隨機性,適用性更靈活,易于實現(xiàn)。

下面通過附圖和實施例,對本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。

附圖說明

圖1為本發(fā)明推導(dǎo)的覆蓋下的用戶平均傳輸速率表達(dá)式、近似下界表達(dá)式與蒙特卡洛仿真結(jié)果隨著基站發(fā)射功率與噪聲功率比值變化的對比圖;

圖2為本發(fā)明能耗上界隨著基站功率變化圖;

圖3為本發(fā)明求解最優(yōu)發(fā)射功率的流程圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供了一種基于隨機幾何的無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率方法,包括以下步驟:

s1、根據(jù)無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)模型以及隨機幾何理論等數(shù)學(xué)公式得到無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋下的用戶平均傳輸速率的表達(dá)式;

s11、建立系統(tǒng)模型

考慮一個下行的無干擾小區(qū)網(wǎng)絡(luò),假設(shè)基站和用戶都服從齊次泊松點過程分布,基站密度為λ,傳播模型為標(biāo)準(zhǔn)冪律路損模型,無線信道小尺度衰落模型為瑞利衰落模型,傳輸?shù)牡湫臀募笮閟,根據(jù)slivnyak定理,在原點處添加一個典型用戶。

s12、典型用戶的信噪比γ如下:

其中,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,h是典型用戶與基站之間信道的功率增益因子,服從參數(shù)為1的指數(shù)分布,α是路徑損耗因子,σ2是噪聲功率,r是最近的基站隨機距離,其概率密度函數(shù)如下:

其中,r是任意大于零的實數(shù)。

s13、計算覆蓋下的用戶平均傳輸速率:

ar=e[log2(1+γ)|γ>τ](2)

其中,τ是網(wǎng)絡(luò)信噪比閾值。

利用對一個正隨機變量x有性質(zhì)得到:

利用貝葉斯公式p[a|b]=p[ab]/p[b]得到:

考慮到當(dāng)t<log2(1+τ)時,2t-1<τ,此時p[γ>2t-1,γ>τ]=p[γ>τ];當(dāng)t>log2(1+τ)時,2t-1>τ,p[γ>2t-1,γ>τ]=p[γ>2t-1]。

所以進(jìn)一步得到:

對式(5)中分式的分母部分利用瑞利信道功率增益h的互補累積分布函數(shù)得到:

對式(5)中分式的分子部分有:

其中,是不完全伽馬函數(shù)。

結(jié)合式(5)、(6)、(7)得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率為:

其中,τ是網(wǎng)絡(luò)信噪比閾值,p是小區(qū)基站發(fā)射功率,α是路徑損耗因子,σ2是噪聲功率,r是最近的基站隨機距離。

s2、考慮覆蓋下的用戶平均傳輸速率表達(dá)式凸函數(shù)的性質(zhì),根據(jù)jensen不等式得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界;

s21、確定凸函數(shù):

考慮函數(shù)f(x)如下:這里x>0是因為,這里的x的物理意義是最近的基站距離,對于無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)中的用戶來說,p/σ2是較高的,則bxα是一個很小的數(shù),例如對于20mhz帶寬,噪聲功率譜密度為-174dbm,基站發(fā)射功率20dbm,p/σ2為121db,是一個很高的值,足以保證把bxα當(dāng)一個較小的數(shù)來對待。

為了知道f(x)的凹凸性,利用所以對f(x)求關(guān)于x的二階導(dǎo),近似為對求二階導(dǎo),簡單求得:

因為α>2,bxα較小,所以上式顯然大于零,即是凸函數(shù)。

s22、計算覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界:

根據(jù)jensen不等式,得到:

將式(10)帶入式(8)得到覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界:

其中最近基站隨機距離r的期望e[r]為:

其中,是伽馬函數(shù)。

s23、下界松緊性的描述:

因為(1+τ)p-1σ2e[r]α=e{[(1+τ)p-1σ2]1/αr}α,所以實際上這里式(11)的近似是用[(1+τ)p-1σ2]1/αr的期望去替代隨機變量[(1+τ)p-1σ2]1/αr,所以可以用其方差來描述下界的松緊性:

s3、根據(jù)覆蓋下的用戶平均傳輸速率的下界得到小區(qū)基站能耗的表達(dá)式;

小區(qū)基站能耗的上界為:

其中,s是傳輸文件大小,w是系統(tǒng)帶寬,p0是電路功率。

s4、根據(jù)基站能耗上界表達(dá)式,將小區(qū)基站最優(yōu)發(fā)射功率的求解構(gòu)建成最小化能耗的優(yōu)化問題。

以最小化能耗上界為目標(biāo)將求解最優(yōu)發(fā)射功率構(gòu)建為優(yōu)化問題:

s.t.p<pmax

其中,pmax是小區(qū)基站的最大發(fā)射功率。

s5、根據(jù)構(gòu)建的最小化能耗的優(yōu)化問題,求解最優(yōu)發(fā)射功率。

s51、引理1:當(dāng)(1+τ)σ22λ-α/2<p0/ln(1+τ)時,能耗上界是一個關(guān)于功率p的先減后增的凸函數(shù)。

證明:以a來記(1+τ)σ22λ-α/2,即

對能耗上界關(guān)于p求一階導(dǎo),并用g(p)來表示,得到:

當(dāng)p→0+時利用不完全伽馬函數(shù)的展開:

則可以得到:

從能耗的定義式(14)來看,分子隨著功率線性增加,分母表示平均速率,從其定義式來看其隨著功率對數(shù)增加,顯然在能耗在超過最低能耗點即最優(yōu)發(fā)射功率點后,隨著功率的增加能耗定義式的分子與分母之間的比值只會越來越大。

再結(jié)合式(16),引理1得證。

s52、求解最優(yōu)發(fā)射功率

對于無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò),基站密度往往較小,能夠滿足引理1需要的條件,即(1+τ)σ22λ-α/2<p0/ln(1+τ)。請參閱圖3,最優(yōu)發(fā)射功率p*計算如下:

step1:令left=0,right=pmax;

step2:計算

step3:計算g(p);

step4:如果|g(p)|≤ε轉(zhuǎn)step6,

否則如果g(p)>ε則right=p;如果g(p)<ε則left=p;

step5:轉(zhuǎn)step2;

step6:結(jié)束,此時最優(yōu)發(fā)射功率p*=p。

其中,left、right分別是功率p的兩個邊界,ε是一個根據(jù)實際需要設(shè)置的無窮小量。

以上的解法步驟核心思想是,因為是關(guān)于功率p的先減后增的凸函數(shù),因此當(dāng)的一階導(dǎo)g(p)大于零時,往左搜索,當(dāng)g(p)小于零時往右搜索,很快就能得到最優(yōu)發(fā)射功率p*

考慮路徑損耗指數(shù)α=4,無線信道衰落信道為瑞利衰落衰落信道,即信道功率增益h服從參數(shù)為1的指數(shù)分布,基站和用戶泊松點過程分布,基站部署密度λ=5×10-6(5個/每平方千米),系統(tǒng)帶寬為20mhz,噪聲功率譜密度為-174dbm,信噪比閾值τ=1,電路功率p0=100mw,最大發(fā)射功率pmax=4w,文件大小s=30mbytes,無窮小量ε=0.000001,蒙特卡洛模擬次數(shù)10000次。

請參閱圖1,圖中給出了本發(fā)明推導(dǎo)的覆蓋下的用戶平均傳輸速率和其下界與蒙特卡洛模擬結(jié)果隨著基站發(fā)射功率與噪聲功率比值的變化趨勢。其中100db-137db對應(yīng)基站發(fā)射功率從1mw-4w??梢钥闯?,本發(fā)明給出的平均速率接近蒙特卡洛模擬統(tǒng)計出來的值,并且利用jensen不等式得到的下界是一個較緊的下界,而且會隨著發(fā)射功率與噪聲功率的比值變大而相對更緊。

請參閱圖2,圖中給出了能耗上界隨著發(fā)射功率的變化趨勢??梢钥吹?,因為此時有a=σ2/(2λ2)=0.0016<p0/ln(1+τ)=0.1443,所以正如本發(fā)明技術(shù)方案所證明,能耗上界隨著基站發(fā)射功率先遞減后遞增。

綜上所述,本發(fā)明提出的基于最小能耗的無干擾無線小區(qū)網(wǎng)絡(luò)功率控制方法在保證準(zhǔn)確性的前提下,能夠高效地給出在已知部分網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的情況下最優(yōu)的基站發(fā)射功率。

以上內(nèi)容僅為說明本發(fā)明的技術(shù)思想,不能以此限定本發(fā)明的保護(hù)范圍,凡是按照本發(fā)明提出的技術(shù)思想,在技術(shù)方案基礎(chǔ)上所做的任何改動,均落入本發(fā)明權(quán)利要求書的保護(hù)范圍之內(nèi)。

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