基于Dinkelbach算法的優(yōu)化混合網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)聯(lián)策略研究①

郭建華

(黑龍江工程學(xué)院網(wǎng)絡(luò)信息管理中心，黑龍江 哈爾濱 150050)

0 引 言

關(guān)于無線數(shù)據(jù)流量和設(shè)備數(shù)量指數(shù)級(jí)的增長(zhǎng)所帶來的能耗高、能效低的問題，目前的最佳解決方案是5G網(wǎng)格。5G網(wǎng)格可以為目前網(wǎng)絡(luò)帶來千萬倍的通信容量提升，使之擁有高可靠性、低延遲、覆蓋范圍廣和支持大量低功耗設(shè)備的優(yōu)勢(shì)。5G網(wǎng)格采用的技術(shù)有大規(guī)模MIMO、毫米波通信和設(shè)備對(duì)設(shè)備通信[1]。每一種技術(shù)都需要用戶關(guān)聯(lián)策略，即設(shè)備開始傳輸前，需要確定用戶與目標(biāo)基站是否相關(guān)聯(lián)。用戶的關(guān)聯(lián)旨在提高網(wǎng)絡(luò)負(fù)載均衡能力和能耗效率。5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)聯(lián)策略的研究帶來挑戰(zhàn)和發(fā)展機(jī)遇。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

子信道分配是正交頻分多址(OFDMA)技術(shù)在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)中先進(jìn)的技術(shù)，正常情況下，每個(gè)子信道將分配給最具有信道條件的用戶設(shè)備使用。子信道分配有各種技術(shù)方法，比如最壞用戶優(yōu)先(WUF)、貪心算法和比較公平算法。文獻(xiàn)[2]和[3]主要研究多小區(qū)OFDMA網(wǎng)絡(luò)用戶關(guān)聯(lián)策略和子信道分配比聯(lián)合優(yōu)化方式，使用迭代的方式得到次優(yōu)解。

用戶關(guān)聯(lián)策略的國(guó)內(nèi)外研究中，文獻(xiàn)[4]針對(duì)大規(guī)模MIMO技術(shù)的多路復(fù)用收益研究，提出了在異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)下，各種用戶關(guān)聯(lián)研究方案。在負(fù)載平衡方面，文獻(xiàn)[5]設(shè)計(jì)了一種距離擴(kuò)展的方案，使用偏移因子平衡宏基站和微基站間的負(fù)載問題。文獻(xiàn)[6]建立了一種新的用戶關(guān)聯(lián)模型，它具有雙重連通性和約束回程的作用。文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種信道感知用戶關(guān)聯(lián)方案，提高用戶數(shù)量和流量負(fù)載均衡能力。

正交頻分多址技術(shù)是多載波調(diào)制的一種，常常用于多徑傳播無線信道中傳輸高速數(shù)據(jù)，對(duì)抗多徑效應(yīng)，減少信號(hào)干擾衰落，信道利用率高[8]。正交信號(hào)可以在接收端采用相關(guān)技術(shù)分離，從而減少子載波信道之間的干擾。

傳統(tǒng)的用戶關(guān)聯(lián)模式的宏基站、小基站與用戶的數(shù)量都是隨機(jī)生成的。用戶呈現(xiàn)泊松分布，構(gòu)造泰森多邊形，中心基站選擇距離其最近的點(diǎn)。但是每個(gè)基站用戶關(guān)聯(lián)最大數(shù)量無限制，對(duì)小基站或者宏基站而言會(huì)出現(xiàn)負(fù)載流過大的問題，使基站資源無法得到充分利用。所以，在研究用戶關(guān)聯(lián)策略網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化問題時(shí)，為了滿足用戶吞吐量和網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化，可以使用小數(shù)據(jù)類比來仿真，限制基站用戶關(guān)聯(lián)數(shù)量的Dinkelbach算法。

Dinkelbach算法在本質(zhì)上是一種迭代算法，它和二分法不同，不是去二分答案，而是首先隨便給出一個(gè)答案，通過迭代方法不斷的向更優(yōu)的解逼近。算法函數(shù)表達(dá)如圖1所示。

Z=cx′-L*dx′與函數(shù)Z(L)在L=L′處相切，需要求子問題Q(L′)的最優(yōu)解X′，-dx′是Z(L)在L=L′處的斜率,直線與L軸相交于L=cx′/dx′。

采用Dinkelbach算法得出如下步驟

步驟1：設(shè)L=L′,使L*≤L1

步驟2：解決子問題Q(L)并得到最優(yōu)解x

步驟3：如果Z(L)=0，那么輸出x并終止。否則，設(shè)L=cx/dx跳到步驟2

圖1 Dinkelbach算法函數(shù)表達(dá)圖

2 系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

用戶k分配宏基站的信噪比：

(1)

吞吐量為

(2)

網(wǎng)絡(luò)能耗功率為PT=∑n∈N∑k∈Kxk,nμMPM，μM為宏基站的傳輸功率放大系數(shù)。

網(wǎng)絡(luò)能效優(yōu)化宏基站用戶和子載波的關(guān)聯(lián)[9],則能效問題構(gòu)建公式如下：

s.t.

∑k∈Kxk,n=1,?n∈N,

xk,n∈{0,1},?k∈K,?n∈N,

(3)

圖2 宏基站與用戶分布圖

圖3 不同用戶數(shù)下小基站最大傳輸功率與總吞吐量的關(guān)系

圖4 不同用戶數(shù)下小基站最大傳輸功率與能效的關(guān)系

采用Dinkelbach算法，得出如下步驟：

步驟1：初始化：γl=0,l=1，最大迭代次數(shù)T，收斂條件ε

步驟2：循環(huán) 1≤l≤T

步驟3：用γl解決資源分配問題，獲得Xl

步驟4：如果C(Xl)-γl*P(Xl)<ε，

步驟5：令X*=Xl,γ*=γl

步驟6：跳出

步驟7：否則

步驟8：結(jié)束

3 仿真結(jié)果分析

在混合網(wǎng)絡(luò)中，假設(shè)宏蜂窩基站傳輸最大功率PM為466dBm,噪聲功率0.1W,系統(tǒng)帶寬為10MHz，宏基站傳輸功率放大系數(shù)μM為4,基站的損耗模型為128.1±37.6lg(d)，d(km)是用戶和基站之間的距離。

宏基站與用戶分布如圖2所示，中心宏基站，在蜂窩狀的覆蓋范圍,創(chuàng)建20個(gè)隨機(jī)用戶。

不同用戶數(shù)下小基站最大傳輸功率與網(wǎng)絡(luò)總吞吐量的影響關(guān)系如圖3所示，由于小基站增加了最大傳輸功率，從而提高了負(fù)載均衡的能力。隨著小基站最大傳輸功率的增加，總吞吐量也增加，大小基站功率相近，負(fù)載均衡能力越大，宏基站和小基站的資源都將充分利用,網(wǎng)絡(luò)總吞吐量也將隨著用戶數(shù)的增加而增加，成正相關(guān)。

不同用戶數(shù)，小基站最大傳輸功率與網(wǎng)絡(luò)能效的關(guān)系如圖4所示，網(wǎng)絡(luò)能效與小基站最大傳輸功率成正相關(guān)，基站的傳輸功率和傳輸信號(hào)越來越強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)能效也越來越高。消耗功率一定吞吐量越高，能效越高。

4 結(jié) 語

在OFDMA系統(tǒng)下，子載波關(guān)聯(lián)宏基站和小基站用戶優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)能效，應(yīng)用Dinkelbach算法控制功率和控制子載波關(guān)聯(lián)機(jī)制。通過仿真得出理想的能耗結(jié)果，從而得出基站用戶數(shù)，吞吐量，最大傳輸功率之間的關(guān)系。