第 32 卷 第 4 期 205 年 4 月 计 算 机 应 用 研 究 ApplicatioResearchofComputers Vol.32No.4 Apr.205 基 于 能 效 的 多 小 区 LTE 系 统 资 源 分 配 算 法 付 锦 华, 黄 晓 燕, 吴 凡, 冷 盨 鹏, 马 立 香 ( 电 子 科 技 大 学 通 信 与 信 息 工 程 学 院, 成 都 673) 摘 要 : 针 对 多 小 区 LTE 移 动 通 信 系 统, 考 虑 用 户 的 最 小 速 率 要 求, 以 最 大 化 系 统 能 效 为 目 标, 提 出 了 一 种 迭 代 式 的 资 源 分 配 算 法, 通 过 不 断 迭 代 子 信 道 分 配 和 功 率 控 制 两 个 子 过 程 来 优 化 系 统 能 效 针 对 子 信 道 分 配 问 题, 提 出 了 一 种 基 于 三 种 基 本 模 式 的 子 信 道 调 整 算 法 ; 针 对 功 率 控 制 问 题, 建 立 了 多 小 区 非 合 作 博 弈 模 型, 理 论 证 明 了 纳 什 均 衡 点 的 存 在 性, 并 设 计 了 算 法 收 敛 于 该 纳 什 均 衡 点 仿 真 结 果 表 明, 与 多 小 区 最 大 化 系 统 吞 吐 量 算 法 相 比, 提 出 的 算 法 获 得 了 明 显 的 能 效 增 益, 同 时 也 达 到 了 较 好 的 系 统 吞 吐 量, 尤 其 在 强 干 扰 环 境 下 该 算 法 的 优 势 更 加 明 显 关 键 词 : 多 小 区 ; 能 效 ; 子 信 道 调 整 ; 功 率 控 制 ; 非 合 作 博 弈 论 中 图 分 类 号 :TP393.07 文 献 标 志 码 :A 文 章 编 号 :003695(205)04605 doi:0.3969/j.is.003695.205.04.048 EergyeficietresourcealocatioimulticelLTEsystem FUJihua,HUANGXiaoya,WUFa,LENGSupeg,MALixiag (SchoolofCommuicatio&IformatioEgierig,UiversityofElectroicSciece&TechologyofChia,Chegdu673,Chia) Abstract:ThispaperproposedaalgorithmforresourcealocatiouderQoScostraitwiththeobjectiveofimizigsys tem eergyeficiecyimulticelltesystem.itwasdecomposeditosubchaeladaptioadpowercotrol,adsolved iteratively.thesubchaeladaptioalgorithmwasbasedothreebasicmodels.itdevelopedaocooperativegamefore ergyeficietpowercotrol,adprovedtheexisteceofequilibrium.italsoproposedaalgorithm tosolvetheequilibrium. Simulatioresultsdemostratethattheperformaceofthisalgorithmismoreeergyeficietadresultimostthroughput.The performaceisbeteristrogeriterferece. Keywords:multicel;eergyeficiecy;subchaeladaptio;powercotrol;ocooperativegame 引 言 随 着 移 动 互 联 网 的 快 速 发 展, 用 户 对 高 速 率 数 据 业 务 的 需 求 越 来 越 大 LTE 移 动 通 信 网 络 保 障 了 视 频 游 戏 多 媒 体 社 交 等 应 用 的 良 好 用 户 体 验, 同 时 也 带 来 了 巨 大 的 能 耗 问 题 [] 构 建 绿 色 网 络, 节 省 网 络 能 耗 已 成 为 LTE 系 统 的 一 个 研 究 热 点 目 前 针 对 LTE 系 统 的 资 源 分 配 技 术 的 研 究 多 以 最 大 化 系 [2~4] [4~7] 统 吞 吐 量 最 小 化 时 延 或 是 用 户 公 平 性 为 优 化 目 标, 而 以 最 大 化 能 效 为 目 标 的 研 究 则 较 少, 尤 其 针 对 存 在 小 区 间 干 扰 的 多 小 区 系 统 的 基 于 能 效 的 资 源 分 配 问 题 的 研 究 更 是 有 限 以 最 大 化 系 统 吞 吐 量 为 目 的 的 LTE 单 小 区 网 络 的 功 率 控 制 算 法 已 经 有 了 比 较 成 熟 的 研 究, 理 论 证 明 注 水 算 法 能 够 实 现 单 小 区 系 统 吞 吐 量 的 最 大 化 [8] 文 献 [9] 中 针 对 单 小 区 功 率 控 制 问 题 设 计 了 基 于 梯 度 下 降 法 的 GABS 算 法, 但 它 缺 乏 对 于 用 户 QoS 的 保 障 文 献 [0] 中 提 出 的 BPA 算 法 有 效 地 解 决 了 固 定 子 信 道 分 配 方 案 条 件 下 的 单 小 区 能 效 优 化 问 题 而 多 小 区 网 络 的 资 源 分 配 问 题 与 单 小 区 相 比, 最 大 的 挑 战 在 于 多 小 区 环 境 下 的 同 频 干 扰, 而 干 扰 抑 制 是 解 决 同 频 干 扰 的 常 见 技 术 手 段 文 献 [] 提 出 了 基 于 顺 序 博 弈 的 SGC/RRM 算 法, 但 博 弈 小 区 的 配 对 过 于 依 赖 于 频 域 规 划, 且 该 算 法 仅 减 小 了 两 个 博 弈 小 区 之 间 的 干 扰 基 于 非 合 作 博 弈 论 进 行 功 率 控 制 则 是 国 内 外 研 究 的 另 一 热 点, 文 献 [2] 中 提 出 了 一 种 基 于 非 合 作 博 弈 论 的 分 布 式 资 源 分 配 算 法, 但 对 用 户 最 小 速 率 约 束 的 保 障 使 得 可 行 域 变 得 复 杂, 给 这 种 基 于 搜 索 的 算 法 带 来 了 障 碍 基 于 上 述 分 析, 本 文 针 对 同 构 多 小 区 系 统 的 资 源 分 配 算 法 的 能 效 特 性 进 行 研 究, 提 出 了 一 种 子 信 道 和 功 率 联 合 分 配 算 法 (MEERA), 该 算 法 在 保 障 用 户 最 小 速 率 要 求 基 础 上, 优 化 系 统 整 体 能 效 算 法 基 本 思 想 是 : 采 用 排 序 优 化 的 贪 婪 算 法 进 行 子 信 道 初 始 分 配, 在 此 基 础 上 采 用 功 率 控 制 和 子 信 道 调 整 相 结 合, 以 迭 代 的 方 式 进 一 步 优 化 系 统 能 效 另 外, 针 对 功 率 控 制, 本 文 建 立 了 静 态 完 全 信 息 非 合 作 博 弈 模 型, 并 证 明 了 该 模 型 纳 什 均 衡 点 的 存 在 性, 在 此 基 础 上 提 出 了 MICPC 算 法 获 得 纳 什 均 衡 点 大 量 的 仿 真 实 验 证 明 了 MEERA 和 MICPC 算 法 良 好 的 收 敛 性, 与 以 注 水 思 想 为 核 心 的 最 大 化 吞 吐 量 算 法 相 比, 在 系 统 总 能 效 提 升 55% 的 情 况 下, 系 统 总 吞 吐 量 仅 减 少 了 20% 收 稿 日 期 :2040223; 修 回 日 期 :204033 基 金 项 目 : 国 家 863 计 划 资 助 项 目 (202AA0402); 新 世 纪 优 秀 人 才 支 持 计 划 资 助 项 目 (NCET00294) 作 者 简 介 : 付 锦 华 (990), 男, 硕 士, 主 要 研 究 方 向 为 无 线 移 动 通 信 (fooboy63@63.com); 黄 晓 燕 (982), 女, 讲 师, 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 无 线 网 络 资 源 优 化 ; 吴 凡 (978), 男, 讲 师, 硕 士, 主 要 研 究 方 向 为 无 线 网 络 资 源 管 理 ; 冷 盨 鹏 (978), 男, 教 授, 博 士, 主 要 研 究 方 向 为 无 线 自 组 织 网 络 无 线 传 感 器 网 络 宽 带 无 线 接 入 网 络 与 下 一 代 移 动 通 信 网 络 ; 马 立 香 (964), 女, 副 教 授, 学 士, 主 要 研 究 方 向 为 无 线 自 组 织 网 络 下 一 代 移 动 通 信 网 络.
62 计 算 机 应 用 研 究 第 32 卷 系 统 模 型 与 问 题 描 述 考 虑 一 个 包 含 S 个 相 邻 小 区 的 LTE 蜂 窝 系 统,S=7 时 如 图 所 示 系 统 总 共 划 分 了 N 个 子 信 道, 每 个 小 区 共 享 这 些 子 信 道, 每 个 小 区 中 均 匀 分 布 K 个 用 户, 每 个 用 户 的 小 区 归 属 确 定, s 为 小 区 s 中 的 用 户 集 定 义 β s, {0,} 为 子 信 道 分 配 指 示 符,β s,= 表 示 小 区 s 中 的 第 个 子 信 道 分 配 给 用 户, 反 之 则 β s,=0 为 了 避 免 小 区 内 的 同 信 道 干 扰, 规 定 每 个 子 信 道 只 能 分 配 给 一 个 用 户, 即 K =β s,=,s, () 定 义 I s, 为 用 户 在 小 区 s 中 的 第 个 子 信 道 上 的 干 扰 因 子 为 I s,= h s, 2 /( S P s h s, 2 +WN 0 ) (2) s = s s 其 中 :W 为 每 个 子 信 道 的 带 宽,h s, 为 小 区 s 中 的 用 户 在 第 个 子 信 道 上 的 信 道 增 益,h s, 为 相 邻 小 区 s 与 用 户 之 间 在 第 个 子 信 道 上 的 信 道 增 益,P s 为 小 区 s 的 基 站 在 第 个 子 信 道 上 的 发 射 功 率,N 0 为 白 噪 声 的 平 均 功 率 谱 密 度 定 义 r s, 为 用 户 在 小 区 s 中 的 第 个 子 信 道 上 可 获 得 的 速 率 : r s,=w log 2 (+P s I s,) (3) 定 义 小 区 s 的 能 效 为 小 区 总 吞 吐 量 与 小 区 总 功 率 消 耗 的 比 值, 即 η s EE= K = N =β s,r s, N =P s +P s C (4) 其 中 :P s C 为 小 区 s 基 站 的 电 路 功 耗 综 上 所 述, 在 一 个 调 度 周 期 内 多 小 区 系 统 能 效 资 源 优 化 问 题 的 数 学 模 型 为 {β s,,ps } S s=η s EE N =β s,r s, R req,s, s N =P s P s,s K =β s,=,s, β s, {0,},P s 0 (5) 其 中 :R req 为 用 户 的 最 低 速 率 要 求,P s 为 小 区 s 的 基 站 的 最 大 发 射 功 率 限 制 上 述 资 源 优 化 模 型 的 决 策 变 量 为 β s, 和 P s 优 化 问 题 式 (5) 是 一 个 NP 困 难 的 非 线 性 混 合 整 数 规 划 问 题, 为 了 找 到 较 好 的 次 优 解, 同 时 降 低 计 算 复 杂 度, 本 算 法 将 求 解 过 程 分 为 以 下 两 个 阶 段 :a) 进 行 固 定 功 率 分 配 条 件 下 的 子 信 道 分 配, 即 P s,s, 固 定, 求 解 β s,,s,, 使 得 S s=η s EE 最 大 ;b) 进 行 固 定 子 信 道 分 配 条 件 下 的 功 率 控 制, 即 β s,,s,, 固 定, 求 解 P s,s, 使 得 S s=η s EE 最 大 子 信 道 调 整 和 功 率 控 制 反 复 迭 代, 直 到 找 到 次 优 解 算 法 设 计 基 于 能 效 优 化 的 子 信 道 分 配 算 法 设 计 假 设 给 定 小 区 子 载 波 上 的 功 率 分 配 由 于 在 固 定 功 率 分 配 的 条 件 下 I s, 为 定 值, 从 而 使 得 原 始 的 多 小 区 问 题 解 耦 合 为 s 个 子 问 题, 如 式 (6) 所 示 η s EE,s {β s, } N =β s,r s, R req, s K =β s,=, β s, {0,} (6) 上 述 问 题 是 一 个 0 线 性 整 数 规 划 问 题, 求 解 该 类 问 题 的 典 型 方 法 是 分 支 定 界 法 和 割 平 面 法 [3], 而 这 两 类 算 法 的 计 算 复 杂 度 都 随 问 题 规 模 而 急 剧 增 加, 最 坏 情 况 下 复 杂 度 为 O(2 N K ) 本 文 在 贪 婪 算 法 的 基 础 上, 提 出 了 一 种 基 于 能 效 的 子 信 道 调 整 (EEbasedsubchaeladaptio,ESA) 算 法, 该 算 法 定 义 了 子 信 道 搬 移 交 换 替 补 三 种 调 整 模 式, 通 过 反 复 调 整 达 到 提 升 系 统 能 效 的 目 标 2 SGISA 算 法 由 于 给 定 小 区 功 率, 根 据 小 区 能 效 定 义 可 知 提 升 小 区 总 能 效 值 等 效 于 提 升 小 区 总 速 率 因 此 ESA 算 法 的 核 心 思 想 是 如 何 在 满 足 小 区 用 户 QoS 的 基 础 上, 通 过 调 整 子 信 道 分 配 进 一 步 提 升 小 区 总 速 率 ESA 算 法 包 含 子 信 道 初 始 化 分 配 阶 段 和 子 信 道 调 整 这 两 个 过 程 针 对 信 道 初 始 化 过 程, 提 出 排 序 优 化 的 贪 婪 初 始 子 信 道 分 配 (sortedadgreedyiitialsubchaelalocatio,sgisa) 算 法, 该 算 法 以 贪 婪 的 方 式 分 配 子 信 道, 在 满 足 用 户 的 最 低 速 率 前 提 下 优 化 系 统 能 效 具 体 地,SGISA 算 法 分 为 两 个 阶 段, 第 一 阶 段 按 照 式 (7)(8) 所 示 规 则 迭 代 地 选 取 子 信 道, 将 其 分 配 给, 直 到 所 有 用 户 的 最 低 速 率 要 求 均 被 满 足 =argmi { r s,} (7) r a =argmi r s, (8) a 其 中 : a 表 示 还 未 满 足 速 率 要 求 的 用 户 集 合, r 表 示 剩 余 还 未 分 配 的 子 信 道 集 合 在 该 阶 段, 系 统 以 最 小 的 代 价 满 足 所 有 用 户 的 最 低 速 率 要 求, 而 剩 余 的 还 未 分 配 的 子 信 道 将 在 第 二 阶 段 进 行 分 配 由 于 没 有 了 最 低 速 率 的 约 束, 在 这 一 阶 段 子 信 道 分 配 给 具 有 最 大 速 率 的 用 户, 这 样 可 以 进 一 步 提 高 系 统 能 效 SGISA 算 法 在 第 一 阶 段 执 行 了 N 次 分 配 操 作, 每 次 分 配 操 作 中 求 最 大 可 达 速 率 最 小 的 未 分 配 子 信 道 的 复 杂 度 为 O(NK), 因 此,SGISA 算 法 复 杂 度 为 O(N 2 K) 22 ESA 算 法 如 果 将 某 个 信 道 从 其 用 户 的 信 道 集 合 中 删 去, 该 用 户 仍 能 够 满 足 速 率 约 束 条 件, 那 么 称 该 信 道 为 自 由 子 信 道 ESA 算 法 定 义 了 三 种 子 信 道 归 属 用 户 调 整 模 式 :a) 自 由 子 信 道 的 搬 移 ; b) 非 自 由 子 信 道 交 换 其 他 子 信 道 ;c) 自 由 子 信 道 替 补 非 自 由 子 信 道 这 三 种 调 整 操 作 都 是 在 现 有 分 配 结 果 β^s,,, 的 基 础 上, 通 过 更 改 子 信 道 的 归 属 用 户 使 小 区 总 速 率 上 升 自 由 子 信 道 的 搬 移 是 指 将 自 由 子 信 道 分 配 给 可 达 速 率 最 大 的 用 户, 如 图 2(a) 所 示 对 于 一 个 非 自 由 子 信 道, 将 其 归 属 用 户 与 其
第 4 期 付 锦 华, 等 : 基 于 能 效 的 多 小 区 LTE 系 统 资 源 分 配 算 法 63 他 信 道 的 归 属 用 户 交 换 使 得 这 两 个 子 信 道 速 率 之 和 上 升, 同 时 保 障 两 个 用 户 依 然 满 足 各 自 的 最 小 速 率 约 束 条 件, 这 样 的 操 作 称 为 非 自 由 子 信 道 交 换 其 他 信 道, 如 图 2(b) 所 示 自 由 子 信 道 替 补 非 自 由 子 信 道 的 操 作 涉 及 到 三 个 用 户, 如 图 2(c) 所 示, 将 非 自 由 子 信 道 8 的 归 属 用 户 从 用 户 B 变 更 为 用 户 C, 同 时 将 自 由 子 信 道 4 的 归 属 用 户 从 用 户 A 变 更 为 用 户 B, 使 得 这 两 个 子 信 道 上 的 和 速 率 升 高, 并 且 用 户 A B C 的 最 小 速 率 约 束 依 然 满 足, 这 样 的 操 作 称 为 4 替 补 8! "! # $%&' () *() " # #$%&' #! " " ## " + $%,-."/0! 通 过 这 三 种 基 本 操 作 的 组 合, 可 以 有 效 地 优 化 已 有 的 子 信 道 分 配 方 案 基 于 上 述 分 析,ESA 算 法 的 具 体 步 骤 如 算 法 所 示 算 法 基 于 能 效 的 子 信 道 调 整 算 法 (ESA) 输 入 :W,,R req,p,i s,,,,^β s,,,( 可 选 ) 输 出 :β s,,, a) 初 始 化 (a) 如 果 输 入 参 数 没 有 ^βs,,,, 则 调 用 SGISA 算 法 进 行 子 信 道 初 始 分 配, 得 到 ^βs,,, (b) 根 据 式 (2) 和 ^βs,,, 求 用 户 在 子 信 道 上 的 可 达 速 率 r able,,,, 用 户 的 和 速 率 r sum real, 以 及 子 信 道 上 的 实 际 速 率 (c),, 若 ^βs, = 且 r sum real }, 否 则,r icr_ =0 (d)r icr_ =, b)whiler icr_ >0 {r icr_ - real R req }, icr_ =arg, 则 r icr_ = {r icr_ (a) 珓 为 icr_ 原 有 归 属 用 户, icr_ =arg (b)β s 珓,icr_=0,β s icr_,icr_= (c) 更 新 r sum real, {r able, - },β s,=^β s,, {r able,icr_} (d) 按 照 初 始 化 中 的 方 式 更 新 r icr_, 和 r icr_ c),, 如 果 变 更 原 有 分 配 到 用 户, 子 信 道 上 的 速 率 变 化 为 r chage =r able - real arg d)r chage_temp {r chage_temp e)whiler chage_temp (a) 2 =,r chage_temp =r chage = {r chage_temp }, src }, =arg 为 子 信 道 原 分 配 用 户 >0 {r chage_temp }, dst = (b) 对 于 temp 2 = 到 N, 且 temp 2, 若 和 temp 2 可 以 交 换 或 2 temp 可 以 替 补, 则 2 = 2 2 temp (c) 若 2 =, 则 r chage_temp =-, 否 则 : 2 =arg i dst, {r chage 2 src, }, src 2 为 子 信 道 2 原 有 分 配 用 户 β s dst =,β s, src =0,β s, src =,β s, 2 2 src =0, 2 更 新 r sum, real 按 照 步 骤 c) 更 新 r chage i, (d)r chage_temp = {r chage_temp {r chage_temp }, src,r chage_temp i, =r chage i, }, =arg 为 子 信 道 原 分 配 用 户 {r chage_temp }, dst =arg 其 中 : 步 骤 b) 通 过 子 信 道 搬 移 操 作 完 成 对 自 由 信 道 的 调 整, 而 步 骤 e) 则 是 通 过 反 复 执 行 子 信 道 交 换 和 替 补 操 作 进 一 步 提 升 系 统 性 能 步 骤 b) 的 计 算 复 杂 度 为 O(N 2 K); 步 骤 e) 的 计 算 复 杂 度 取 决 于 当 前 子 载 波 分 配 下 还 能 执 行 交 换 或 替 补 的 次 数, 而 在 初 始 算 法 和 步 骤 b) 执 行 后, 子 信 道 分 配 方 案 已 经 达 到 了 能 效 相 对 较 高 的 状 态, 所 以 其 计 算 复 杂 度 远 低 于 分 支 定 界 法, 后 续 仿 真 结 果 也 验 证 了 这 一 点 功 率 控 制 算 法 设 计 在 固 定 信 道 分 配 结 果 的 情 况 下, 系 统 的 功 率 控 制 问 题 可 建 模 为 N =W log 2 (+P s I s (),) {P s } N =P s +P s C C: W log 2 (+I s,p s, ) R req s, s,s C2: N =P s P s,s C3:P s 0,s, (9) 其 中 :() 为 子 信 道 的 归 属 用 户, s 为 小 区 s 中 分 配 给 第 个 用 户 的 子 信 道 集 合 满 足 式 (9) 中 约 束 条 件 的 向 量 {P s,, P s N} 记 为 P s 优 化 问 题 式 (9) 是 非 凸 的, 解 向 量 的 维 数 为 X=S N, 小 区 和 子 信 道 个 数 的 实 际 大 小 使 得 求 解 全 局 最 优 解 的 计 算 复 杂 度 非 常 高 为 此, 本 文 将 通 过 下 述 完 全 信 息 静 态 非 合 作 博 弈 模 型 设 计 一 个 次 优 的 解 决 方 案 固 定 子 信 道 分 配 方 案, 多 小 区 完 全 信 息 静 态 非 合 作 博 弈 功 率 控 制 模 型 的 博 弈 者 为 S 个 相 邻 小 区, 每 个 博 弈 者 的 策 略 空 间 为 全 体 P s 构 成 的 集 合 s, 每 个 博 弈 者 的 收 益 函 数 为 η s EE 定 义 多 小 区 资 源 分 配 博 弈 模 型 的 纳 什 均 衡 是 一 组 策 略 集 合 {P,,P S}, 满 足 η s EE(P s,p -s) η s EE(P s,p -s),p s s,s {,,S} (0) 其 中 :P -s=(p,,p s-,p s+,,p S ), 即 在 纳 什 均 衡 条 件 下, 单 个 小 区 无 法 通 过 仅 改 变 自 身 功 率 分 配 方 案 来 提 高 本 小 区 能 效 [4] 定 理 多 小 区 资 源 分 配 博 弈 模 型 存 在 纳 什 均 衡, 即 多 小 区 以 能 效 为 目 的 的 功 率 控 制 问 题 存 在 全 局 意 义 的 稳 定 解 证 明 式 (9) 中 的 边 界 条 件 C2 C3 构 成 的 集 合 显 然 是 欧 式 空 间 上 的 一 个 非 空 的 闭 的 有 界 的 凸 集, 而 边 界 条 件 C 构 成 的 集 合 可 以 经 如 下 证 明 也 满 足 这 一 条 件 : 记 小 区 s 第 个 用 户 的 信 道 集 合 为 s ={,, N }, 函 数 的 Hesia 矩 阵 为 N f (P s,p s 2,,P s N )= W log 2 (+I s,p s ) () =
64 计 算 机 应 用 研 究 第 32 卷 -W Is, +I s, P s 2 log 2 e 0 I s, N 0 -W( ) 2 log +I s, N P s 2 e N 该 矩 阵 为 对 角 矩 阵 且 对 角 线 元 素 全 为 负 数, 故 该 矩 阵 为 负 定 矩 阵 由 此 可 得 f 是 严 格 凹 函 数, 其 上 水 平 集 { W log 2 s (+I s,p s ) R req } 为 凸 集 若 η s EE(P s,p -s ) 的 α 上 水 平 集 {P s s η s EE(P s,p -s ) α} 是 凸 的, 则 η s EE 在 s 上 是 拟 凹 的 当 α 0 时, 该 集 合 显 然 为 凸 ; 当 α>0 时, 该 集 合 等 价 于 {P s s W log 2 (+ Ks s I s, P s )-αp s C -α P s Ks 0}, 其 凸 性 同 样 可 以 用 Hes s sia 矩 阵 为 负 定 矩 阵 的 方 式 证 得 综 上 所 述,η s EE 是 连 续 的 且 在 s 上 是 拟 凹 的, 同 时 s 是 欧 式 空 间 上 的 非 空 的 闭 的 有 界 的 凸 集, 因 此 根 据 纳 什 定 理 可 以 得 到 定 理 [5] 基 于 定 理, 本 文 设 计 了 一 个 启 发 式 搜 索 算 法 多 小 区 干 扰 协 调 功 率 控 制 (multiceliterferececoordiatedpower cotrol,micpc) 算 法, 如 算 法 2 所 示 固 定 子 信 道 分 配 方 案, 多 小 区 完 全 信 息 静 态 非 合 作 博 弈 功 率 控 制 模 型 纳 什 均 衡 的 意 义 在 于, 任 一 小 区 在 均 衡 点 选 择 的 策 略 是 其 他 小 区 功 率 分 配 方 案 一 定 条 件 下, 使 本 小 区 能 效 最 大 的 功 率 分 配 方 案 根 据 这 一 特 点, 本 文 通 过 各 小 区 轮 流 进 行 单 小 区 能 效 最 大 化, 并 且 多 次 迭 代 直 至 收 敛 的 方 法 搜 索 纳 什 均 衡 点 在 每 一 次 单 小 区 能 效 最 大 化 时, 保 持 其 他 小 区 功 率 分 配 方 案 不 变, 该 小 区 依 据 接 收 到 的 其 他 小 区 的 功 率 分 配 信 息, 更 新 本 小 区 的 I s, 矩 阵, 然 后 采 用 [0] 干 扰 协 调 优 化 的 BPA 算 法 最 大 化 本 小 区 能 效, 并 将 优 化 结 果 通 过 X2 接 口 通 告 其 他 小 区 经 过 仿 真 验 证 这 种 协 同 干 扰 协 调 技 术 算 法 可 以 快 速 稳 定 地 收 敛 于 纳 什 均 衡 点 算 法 2 多 小 区 干 扰 协 调 功 率 控 制 算 法 (MICPC) 输 入 :W, s,s,p,r req,p C,β s,,s,,,i s,,s,, 输 出 :P s,s, a) 对 于 s= 到 S, 小 区 s (a) 更 新 本 小 区 的 I s,,, (b) 使 用 修 改 的 BPA 算 法, 得 到 当 前 P -s 和 I s,,, 下 的 能 效 最 优 的 功 率 分 配 方 案 P s (c) 与 其 他 小 区 交 互 P s 向 量 b)p s_ier_loop_begiig =P s c) 对 于 s= 到 S, 小 区 s (a) 更 新 本 小 区 的 I s,,, (b) 使 用 修 改 的 BPA 算 法, 得 到 当 前 P -s 和 I s,,, 下 的 能 效 最 优 的 功 率 分 配 方 案 P s (c) 与 其 他 小 区 交 互 P s 向 量 (d) 若 P s -P s_ier_loop_begiig 2 >δ ier_loop, 转 到 步 骤 b), 否 则, s 算 法 结 束 基 于 能 效 的 多 小 区 无 线 资 源 分 配 算 法 基 于 以 上 分 析, 本 文 提 出 了 LTE 网 络 中 基 于 能 效 的 多 小 区 无 线 资 源 分 配 (multiceleergyeficietresourcealocatio, MEERA) 算 法, 如 算 法 3 所 示 MEERA 算 法 主 要 包 含 两 个 阶 段 : 固 定 功 率 分 配 条 件 下 的 子 信 道 分 配 阶 段 与 固 定 子 信 道 分 配 条 件 下 的 功 率 控 制 阶 段 ; 并 且 两 个 阶 段 不 断 迭 代 直 至 算 法 收 敛 在 第 一 阶 段 中, 每 个 小 区 在 固 定 功 率 分 配 条 件 下 以 最 大 化 本 小 区 能 效 为 优 化 目 标 同 时 满 足 各 用 户 的 最 低 速 率 要 求 来 独 立 地 进 行 子 载 波 分 配, 即 每 个 小 区 独 立 地 求 解 各 自 的 0 线 性 整 数 规 划 问 题 在 第 二 阶 段 中, 各 个 小 区 之 间 通 过 一 个 非 合 作 博 弈 过 程, 即 执 行 本 文 提 出 的 MICPC 算 法 来 协 调 彼 此 的 发 射 功 率, 从 而 降 低 小 区 间 干 扰, 提 升 系 统 的 整 体 能 效 算 法 3 基 于 能 效 的 多 小 区 无 线 资 源 分 配 算 法 (MEERA) 输 入 :W, s,s,p,r req,p C 输 出 :β s,,s,,,p s,s, a) 初 始 化 对 于 s= 到 S, 小 区 s: (a) 从 其 服 务 的 用 户 处 收 集 h s,,, 和 h s,,s,, (b) 与 其 他 小 区 交 互 P s 向 量 此 时,P s =P s /N, 计 算 本 小 区 的 I s,,, b) 算 法 迭 代 部 分 (a)p s_outer_loop_begiig =P s (b) 对 于 s= 到 S, 小 区 s 轮 流 利 用 现 有 优 化 软 件 工 具 ( 例 如 GU BOBI) 求 解 式 (6), 或 调 用 ESA 算 法 得 到 现 有 功 率 控 制 条 件 下 的 子 信 道 分 配 方 案 β s,,, (c) 调 用 MICPC 算 法, 得 到 现 有 子 信 道 分 配 结 果 下 的 功 率 控 制 方 案 (d) 若 P s -P s_outer_loop_begiig 2 >δ outer_loop, 继 续 (a), 否 则, 算 法 s 结 束 仿 真 及 结 果 分 析 鉴 于 第 三 方 优 化 软 件 Gurobi 出 众 的 求 解 性 能 和 多 核 处 理 器 并 行 计 算 的 良 好 支 持, 本 文 利 用 它 来 求 解 子 信 道 分 配 的 最 优 解, 以 此 作 为 子 信 道 分 配 算 法 性 能 的 参 考 上 限 本 文 仿 真 了 LTE 系 统 的 多 小 区 场 景, 验 证 了 MICPC 算 法 和 MEERA 算 法 的 收 敛 性 对 ESA+MICPC Gurobi+MICPC Gurobi+ 最 大 化 系 统 和 速 率 三 种 算 法 的 性 能 作 了 比 较 分 析 此 外, 还 对 比 了 多 小 区 算 法 相 对 于 单 小 区 算 法 的 优 势 仿 真 场 景 和 主 要 仿 真 参 数 仿 真 场 景 中 共 七 个 小 区, 一 个 小 区 位 于 场 景 中 央, 其 他 小 区 分 布 在 其 周 围, 每 个 小 区 内 有 32 个 子 信 道, 每 个 子 信 道 的 带 宽 为 200Hz 每 个 小 区 内 有 5 个 相 对 静 止 的 随 机 均 匀 分 布 的 用 户, 每 个 用 户 归 属 于 距 离 最 近 的 小 区 如 未 特 别 说 明, 每 个 用 户 速 率 要 求 为 00bps, 其 他 仿 真 参 数 如 表 所 示 表 仿 真 参 数 属 性 参 数 小 区 半 径 700m 小 区 总 发 射 功 率 20W 小 区 电 路 功 率 2W 噪 声 功 率 谱 密 度 4.4 0-2 W/Hz 路 径 损 耗 模 型 OumuraHata 模 型 小 尺 度 模 型 瑞 利 分 布 阴 影 衰 落 标 准 差 7dB 仿 真 分 析 图 3 表 明 了 MICPC 算 法 良 好 的 收 敛 性, 从 图 3 中 可 以 看 出,MICPC 算 法 平 均 迭 代 次 数 随 收 敛 条 件 δ ier_loop 指 数 级 减 小 而 少 量 增 加 图 4 表 明 了 MEERA 算 法 良 好 的 收 敛 性, 从 图 4 中 可 以 看 出,MEERA 算 法 平 均 迭 代 次 数 随 收 敛 条 件 δ outer_loop 指 数 级 减 小 而 基 本 不 变 图 5 6 分 别 给 出 了 各 算 法 能 效 和 吞 吐 量 与 用 户 最 小 速 率 约 束 的 关 系, 图 7 8 分 别 给 出 了 各 算 法 能 效 和 吞 吐 量 与 每 个 小
第 期 付锦华等 基于能效的多小区 ＬＴＥ系统资源分配算法 ６ 区用户数的关系该实验中每个小区所有用户的最小速率约束 弈模型证明了该模型纳什均衡点的存在性并设计了 ＭＩ ＣＰＣ 综合图 ８可以看出 ＥＳ Ａ ＭＩ ＣＰＣ算法 之和为 算法来求解该均衡点 基于以上两部分的研究提出了一种子 的结果与 Ｇ ＭＩ ＣＰＣ算法的结果相当说明了 ＥＳ Ａ的性 信 道 分 配 和 功 率 控 制 迭 代 进 行 的 无 线 资 源 分 配 算 法 能几乎达到了子信道分配算法的上限验证了子信道分配算法 ＭＥＥＲＡ算法 仿真结果验证了 ＥＳ Ａ算法在子信道分配阶段 ＣＰＣ算法的有效性 的有效性 此外这四张图还反映了 ＭＩ ＣＰＣ和 ＭＥＥＲＡ算法的收敛性和在提升能 的有效性证明了 ＭＩ ＭＩ ＣＰＣ算法与最大化系统吞吐量算法相比平均能效在提升 效方面良好的性能尤其在强干扰环境下 ＭＥＥＲＡ算法的优势 了 ８ 的同时平均速率仅减少了 更加明显 参考文献 绿色行动计划 系统科学与中国移动节能减排实践 Ｍ 北京 机 ６ 械工业出版社 Ｉ Ｓ ＳＡＭ Ｔ Ｗ ｍ ｗ ｋ Ｄ Ｒ Ｔ ｍｂ ６ ＴＯＵＦＩ ＫＩ ＫＮＯＰＰＲ Ｃ ｍ ｍ ｍ Ｐ ６ Ｉ ＥＥＥ Ｖ Ｔ Ｃ Ｓ ＥＥＥＰ ９ ＰＡＲＫＤＣＡＩ ＲＥＧ Ｈ ｗ ｍｍ ｍ Ｐ Ｉ ＥＥＥＩ ＥＥＥ Ｐ Ｓ ｍ ｍ Ｉ ｍ Ｔ Ｓ ８ ６ ＫＩ Ｍ ＨＫＩ Ｍ ＫＨＡＮＹ Ａ ｍ Ｐ ６ Ｉ ＥＥＥＶ ｍ ｍ Ｔ Ｃ Ｓ ＥＥＥＰ ９ ６ 黄高飞唐冬郑晖 ＯＦＤＭＡ中继系统下行链路公平资源分配算 法研究 计算机应用研究 ８ ７ ８ ８ ７ 张世超季仲梅崔维嘉 基于比例公平的多用户 ＭＩ ＭＯ ＯＦＤＭ系 本文还针对小区干扰较强的场景仿真比较了采用多小区 干扰抑制的资源分配算法相对于单小区算法的优越性 该场 景中用户随机落在两个相邻小区的交界区域由于单小区算 法在考虑小区干扰的实际情况下不能保障用户最小速率约束 统自适应资源 分 配算 法 计 算 机 应 用 研 究 ８ ９ ８ ８ ＭＩ ＡＯＧ ｗ ＨＩ ＭＡＹＡＴＮＬＩＹ Ｃ ｍ ｚ Ｗ ｗ ｍｍ Ｃｍｍ Ｍ Ｃｍ ９ ９ ９ 故该场景中用户最小速率约束设为零 图 ９ 给出了小区干 ９ ＭＩ ＡＯＧ ｗ ＨＩ ＭＡＹＡＴＮＬＩＧＹ Ｅ ｋ 扰明显的情况下ＭＥＥＲＡ算法 单小区 ＢＰＡ算法 多小区最大 ｑ ＥＥＥＴ Ｃｍｍ 化吞吐量算法 单小区最大化吞吐量算法的性能比较可以看 ８ 出 ＭＥＥＲＡ算法相对于单小区 ＢＰＡ算法能效提升了 系 ＣＯＮＧＸ ＬＩＧＹＺＨＡＮＧＳ ｑ Ｅ 统吞吐量提升了 由于多小区和单小区最大化吞吐量 ＯＦＤＭＡ ｗ ｋ Ｐ Ｉ ＥＥＥ Ｇ 算法都是满功率发射多小区最大化吞吐量算法相对于单小区 最大化吞吐量算法系统吞吐量和能效都提升了 此 外该场景下ＭＥＥＲＡ算法与传统单小区最大化系统吞吐量算 法相比能效依然提升了 ６ ７ 但速率仅减少了 ７ 这说 Ｔ ｍｍ Ｃ Ｓ ＥＥＥＰ ＴＵＲＹＡＧＹＥＮＤＡＣＯ ＦＡＲＲＥＬＬＴＧＵＯＷ Ｅ ｍ ｍ ｗ ｑ ｍ ｍ ｍ ｗ ｋ ＥＴＣｍｍ ６ ９ 明了在小区干扰明显的情况下基于能效的多小区协同的资源 ＭＩ ＡＯ Ｇ ｗ ＨＩ ＭＡＹＡＴＮＬＩＧ Ｙ Ｄ 分配技术可以仅消耗 ６ 的能量就可以达到与传统单小区最 ｗ ｗ ｍ ｚ ＥＥＥＴ 大化系统吞吐量算法一样的系统吞吐量 Ｗ Ｃｍｍ 孙小玲李端 整数规划 Ｍ 北京 科学出版社 % 结束语 ＺＨＡＮＧＧ ＬＩ ＵＰ ＤＩ ＮＧＥ ｊ Ｅ ｍ ＯＦＤＭＡ ｍ Ｊ 本文设计了能效逐步优化的子信道调整算法 ＥＳ Ａ 建立了 支持用户最小速率约束的多小区功率控制非合作完全信息博 ７ ８ Ｓ ｍｅ Ｅ 范如国 博弈论 Ｍ 武汉 武汉大学出版社