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小蜂窝网络中不活跃用户的最优能量效率资源分配方案

黄晓舸 樊伟伟 曹春燕 陈前斌

引用本文: 黄晓舸, 樊伟伟, 曹春燕, 陈前斌. 小蜂窝网络中不活跃用户的最优能量效率资源分配方案[J]. 电子与信息学报, doi: 10.11999/JEIT190303 shu
Citation:  Xiaoge HUANG, Weiwei FAN, Chunyan CAO, Qianbin CHEN. Energy Efficient Resource Allocation Scheme Based on Inactive Users in Small Cell Networks[J]. Journal of Electronics and Information Technology, doi: 10.11999/JEIT190303 shu

小蜂窝网络中不活跃用户的最优能量效率资源分配方案

    作者简介: 黄晓舸: 女,1982年生,副教授,研究方向为移动通信技术、认知无线电动态频谱分配;
    樊伟伟: 男,1996年生,硕士生,研究方向为移动通信技术、雾计算卸载方案;
    曹春燕: 女,1992年生,硕士生,研究方向为移动通信技术、LTE-U和Wi-Fi共存方案等;
    陈前斌: 男,1967年生,教授,博士生导师,研究方向为新一代移动通信网络、未来网络、LTE-Advanced异构小蜂窝网络
    通讯作者: 黄晓舸,huangxg@cqupt.edu.cn
  • 基金项目: 国家自然科学基金重点项目(61831002),重庆市科委重庆市基础研究与前沿探索项目(cstc2018jcyjAx0383)

摘要: 针对5G网络中因小区重叠覆盖区域的干扰问题,为缓解密集小蜂窝网络中移动用户的业务连续性,提高频谱资源利用率,进而最大化整个网络平均能量效率问题。该文提出一种基于不活跃用户的最优能量效率资源分配方案(EEI)。首先,该方案依据不活跃用户通知区域,建立以用户为中心的虚拟小区,小区内小蜂窝基站可协作为用户提供通信服务,提高用户通信质量,缓解小蜂窝同层干扰,减少切换信令开销。其次,基于Lyapunov优化理论,该方案将整体网络平均能量效率优化问题,转换为用户最优传输资源分配和最优功率分配两个子问题,在最大化系统平均能量效率同时保证系统队列稳定性。由于该文将原优化问题进行了松弛,所得结果是局部最优解,而不是全局最优解。仿真结果表明,该文提出的基于不活跃用户的最优能量效率资源分配算法,其系统能量效率优于对比算法而计算复杂度较高。

English

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  • 图 1  以用户为中心的虚拟小区5G网络场景

    图 2  不同方案的系统能效与资源块数的关系

    图 3  不同方案的系统能效与用户数的关系

    图 4  不同方案的系统能效与基站数的关系

    图 5  系统中用户和基站匹配关系图

    图 6  系统中基站和资源块匹配关系图

    图 7  系统平均队列长度与时间的关系

     算法1:最优传输资源分配算法(OTRA)
     1. 初始化${G_k}$, ${R_m}$,令$k = \left\{ {1,2,···,K} \right\}$, $N = \left\{ {1,2,···,N} \right\}$, $s = \left\{ {1,2,···,M} \right\}$, $i = K$。
     2. 每个用户分配一个RB,为用户构造一个3维信道增益矩阵${{H}}'\left( {K,N,M} \right)$
     (1).遍历信道增益矩阵${{H}}$,找到最大值${h_{k,n,m}}$, ${G_k} = {G_k} + \left\{ m \right\}$, ${R_m} = {R_m} + \left\{ n \right\}$,更新$k = k - \left\{ k \right\}$, $N = N - \left\{ n \right\}$;
     (2).删除${{H}}\left( {k,N,M} \right)$, ${{H}}\left( {:,n,:} \right)$,更新$i = i - 1$,返回(1);
     (3).直到${\left| N \right|_{\rm re}} = N - K$, ${\left| S \right|_{\rm re}} = M - x\,$ $(1 \le x \le M)$, $i = 0$。
     3. 分配RB给剩余的gNB,基于步骤1,构造一个新的3维信道增益矩阵${{H}}'\left( {K,N - K,M - x} \right)$
     (1).遍历矩阵${{H}}'$,找到最大值$h{'_{k',n',m'}}$, ${G_{k'}} = {G_{k'}} + \left\{ {m'} \right\}$, ${R_{m'}} = {R_{m'}} + \left\{ {n'} \right\}$,更新${N_{\rm re}} = {N_{re}} - \left\{ {n'} \right\}$, ${S_{\rm re}} = {S_{\rm re}} - \left\{ {m'} \right\}$;
     (2).删除${{H}}'\left( {:,n',:} \right)$, ${{H}}'\left( {:,:,m'} \right)$,更新${\left| S \right|_{\rm re}} = M - x - 1$,返回(1);
     (3). 直到${\left| N \right|_{\rm re}} = N - K - M + x$, ${\left| S \right|_{\rm re}} = 0$。
     4. 分配剩余的RB给用户,构造3维信道增益矩阵${H''}\left( {K,N - K - M + x,M} \right)$
     (1).遍历矩阵${H''}$,找到最大值${h''_{k'',n'',m''}}$, ${R_{m''}} = {R_{m''}} + \left\{ {n''} \right\}$,更新${N_{{\rm{re}}}} = {N_{{\rm{re}}}} - \left\{ {n''} \right\}$;
     (2).删除${H''}\left( {:,n''',:} \right)$,更新${\left| N \right|_{{\rm{re}}}} = N - K - M + x - 1$;
     (3).直到${\left| N \right|_{{\rm{re}}}} = 0$。
     5. 算法结束
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  • 通讯作者:  黄晓舸, huangxg@cqupt.edu.cn
  • 收稿日期:  2019-04-30
  • 录用日期:  2019-10-25
  • 网络出版日期:  2019-11-07
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

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