本發(fā)明涉及一種混合供電模式下協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源協(xié)作分配方法，屬于無線通信
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：近些年來，隨著通信技術(shù)的快速發(fā)展，無線移動設(shè)備數(shù)量也隨之大量增長，進(jìn)而蜂窩系統(tǒng)的能量損耗上也隨之大幅度增加。傳統(tǒng)的蜂窩網(wǎng)絡(luò)中，其工作所需的能量都是從電網(wǎng)中購買。為了節(jié)約成本，人們開始將目光轉(zhuǎn)向了可再生能源，例如，太陽能，風(fēng)能等可再生能源，并以此來補(bǔ)充傳統(tǒng)的能量在基站耗能方面的使用。在一些具有能量收集功能的通信系統(tǒng)中，許多學(xué)者開始研究混合供電模式的基站之間的能量協(xié)作問題，即：一個基站可以分享出其所收集到的部分能量給另一個基站。這一舉措可以很好降低基站的成本問題。此外，頻譜對于通信系統(tǒng)而言是另一個十分重要的資源。多載波技術(shù)在分配資源時具有很大的靈活性，以及具有抗衰落的能力。因此，該技術(shù)在蜂窩網(wǎng)絡(luò)中被廣泛使用。例如正交頻分復(fù)用技術(shù)。為了解決由于移動設(shè)備的大量增加而造成的頻譜緊張問題，在不同的多載波通信系統(tǒng)之間進(jìn)行頻譜共享是一個十分可行的方案。最近有很多學(xué)者來分別研究這兩種資源的分配，但是并沒有考慮混合供電模式下的兩種資源的同時共享分配。目前，查閱到的資料中，仍然沒有在混合供電模式下的協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中在保證移動設(shè)備通信速率要求且聯(lián)合資源分配的先例。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：為了彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種混合供電模式下協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源協(xié)作分配方法，并且保證了每個移動設(shè)備的最小通信速率要求。這一方案不僅能夠最小化兩個協(xié)作通信系統(tǒng)的成本和，同時還能夠保證每個用戶的通信速率要求。本發(fā)明的技術(shù)方案如下：一種混合供電模式下協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源協(xié)作分配方法，由以下系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：該系統(tǒng)包括兩個蜂窩系統(tǒng)，每一個蜂窩系統(tǒng)中都有一個基站和Ki個單天線的移動設(shè)備，其中i表示第i基站，i∈M，由集合M＝{1,2}表示；Ki表示基站i有Ki個移動設(shè)備，k表示第k個移動設(shè)備，k∈K1∪K2,每個基站中的移動設(shè)備可以分別表示為集合K1＝{1,2,...,K1}和K2＝{1,2,...,K2}，設(shè)兩個基站共享同一段頻譜，并且信號都是經(jīng)過正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，整個授權(quán)的頻帶被等帶寬分成N個正交窄帶子載波，每一個子載波的帶寬為B，其中n∈N，n表示第n個子載波，且設(shè)子載波的集合為N＝{1,2,...,N}，則兩個基站就會共享這N個子載波，令xi,k,n表示子載波的分配情況，其中i表示的第i個基站；k表示第k個移動設(shè)備；n表示第n個子載波，當(dāng)xi,k,n＝1表示子載波n分配給了i基站中的第k個移動設(shè)備；反之，當(dāng)xi,k,n＝0就表示子載波n沒有被分配給i基站中的第k個移動設(shè)備；我們主要研究蜂窩系統(tǒng)中的下行通信鏈路，令hi,k,n表示基站i中的第k個用戶在第n個子載波上通信時的信道增益，系統(tǒng)中的兩個基站在工作時所需要的能量來源有三部分：可再生能源、電網(wǎng)以及其他基站共享給它的能量，當(dāng)兩個基站中的某一基站所收集到的可再生能源的能量比較充足時，該基站便會向另一個基站提供部分共享能量，其過程為該基站會先通知另一基站所共享的能量的大小，其次該基站會在本地進(jìn)行升壓操作并將所要共享的能量注入電網(wǎng)之中，同時，另一基站會在其本地進(jìn)行降壓操作且從電網(wǎng)中獲取前一基站所提供共享的能量，該分配方法的具體步驟如下：1)計(jì)算每個移動設(shè)備的通信速率：基站通過子載波將信號發(fā)射至移動設(shè)備，此時移動設(shè)備在其所分配到的所有子載波上的通信速率和為：ri,k,n=Σn∈Nxi,k,nBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)---(1)]]>其中pi,k,n表示基站i中的第k個移動設(shè)備在第n子載波上的傳輸功率，N0表示高斯白噪聲的功率譜密度，符號Σ表示對其下標(biāo)所限制的范圍內(nèi)進(jìn)行求和；2)計(jì)算每個基站所消耗的能量基站i在正常工作時，其能量消耗主要包括三部分：第一部分是維持通信設(shè)備正常工作時電路能量消耗Pc,i；第二部分是發(fā)射號所需要的能量Pi，且第三部分是基站共享給另一個基站的能量ei，則基站i所消耗的能量可以表示如下：Ci=Pc,i+Σk=1KiΣn∈Nxi,k,npi,k,n+ei---(2)]]>3)確定優(yōu)化問題以整個系統(tǒng)的成本為目標(biāo)函數(shù)，每個移動設(shè)備的通信速率，每個基站的能量消耗以及每個基站從可再生能源公司所能購買的最大能量為約束條件，構(gòu)造如下優(yōu)化問題：minΣi=12(γiEEi+γiGGi)]]>Subjectto:Σn∈Nxi,k,nBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)≥Ri,k]]>Pc,i+Σk=1KiΣn∈Nxi,k,npi,k,n+ei≤Ei+Gi+ηei‾---(3)]]>Ei≤E‾i]]>其中，表示第基站，且M\{i}表示屬于集合M除去元素i之后的集合；表示可再生能源公司的電能的單價(jià)；表示電網(wǎng)中的電能的單價(jià)；Ri,k表示每個移動設(shè)備的最小通信速率；Ei表示基站i從可再生能源公司所購買的能量；Gi表示基站i從電網(wǎng)中購買的能量；表示基站共享給基站i的能量；η表示能量傳輸效率；表示可再生能源公司所能提供的最大能量；式子(3)中的符號min表示最小值符號，符號Subjectto表示約束符號，(3)式表示在約束中對每個移動設(shè)備的通信速率、每個基站的能量消耗以及每個基站所能從可再生能源公司所購買的最大能量，求解目標(biāo)函數(shù)即min后的部分的最小值，該最小化問題在下面的描述中也稱之為原問題；4)求解優(yōu)化問題由于上述問題中既有整數(shù)變量xi,k,n，其取值為0或者1，又含有其他連續(xù)型變量，因此上述問題是一個混合二進(jìn)制整數(shù)規(guī)劃問題，為了降低解題的復(fù)雜度，我們將問題分解為兩個子問題，一是子載波分配問題，另一個是能量管理問題；問題一、子載波分配：首先我們來求解子載波的分配問題，對于基站而言，每個子載波的信道增益都是已知的，為了保證每一個移動設(shè)備都可以進(jìn)行正常的通信，則每一個移動設(shè)備至少應(yīng)該被分配一個子載波，因此我們提出兩步子載波分配算法，其具體分配過程如下:第一步：遍歷每一個移動設(shè)備，對于當(dāng)前遍歷到的移動設(shè)備，給其分配一個當(dāng)前所剩子載波中信道增益最好的子載波，經(jīng)過第一步的分配，每一個移動設(shè)備都被分配到了一個子載波；第二步：遍歷剩余的所有子載波，對于當(dāng)前遍歷到的子載波，將其分配給在該子載波上通信時信道增益最好的移動設(shè)備，經(jīng)過第二步分配操作，我們可以將第一步分配所剩余的全部子載波全都分配完；問題二、能量管理：通過上面的子載波分配算法，每個移動設(shè)備所分配到的子載波就是確定的，公式(3)所描述的問題是個涉及子載波分配和能量管理的問題，在子載波分配確定的條件之下，將這個問題轉(zhuǎn)換成單純的能量管理問題，該問題可以被重新規(guī)劃如下：minΣi=12(γiEEi+γiGGi)]]>Subjectto:Σn∈Si,kBlog2(1+ki,k,npi,k,nBN0)≥Ri,k]]>Pc,i+Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,ni+ei≤Ei+Gi+ηei‾---(4)]]>Ei≤E‾i]]>其中，Si,k表示分配給基站i中的移動設(shè)備k的子載波集合；經(jīng)驗(yàn)證，公式(4)所描述的問題是一個凸問題，該凸問題存在唯一的最優(yōu)解，利用拉格朗日對偶理論，可以建立最小化問題即原問題與一個最大化問題即對偶問題之間的關(guān)系，我們研究的原問題具有強(qiáng)對偶性，因此可以通過求解對偶問題而得到原問題的最優(yōu)值，為了表述的方便，我們定義符號Ψ來代替Ei，Gi和ei，即Ψ＝{Ei,Gi,ei,i∈M,k∈Ki,n∈N}，原問題的拉格朗日函數(shù)可以表示為：L(p,Ψ,v,λ,μ)=Σi=12(γiEEi+γiGGi)+Σi=12νi(Ei-E‾i)-Σi=12Σk=1Kiλi,k[Σn∈Si,kBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)-Ri,k]+Σi=12μi[Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,n+Pc,i+ei-Ei-Gi-ηei‾]---(5)]]>則原函數(shù)的對偶函數(shù)為：g(v,λ,μ)=minp,ΨL(p,Ψ,v,λ,μ)---(6)]]>其中ν,λ,μ分別表示公式(4)中三個約束式中的三個約束條件的對偶向量，λi,k、μi分別表示公式(4)中第一個約束和第二個約束中每一個約束式所對應(yīng)的拉格朗日對偶因子，分別是對偶向量λ和μ中的元素，對偶函數(shù)對應(yīng)的對偶問題如下：max:g(ν,λ,μ)(7)Subjectto:ν,λ,μ≥0即對偶因子在集合ν,λ,μ≥0的約束條件下，通過優(yōu)化ν,λ,μ求解目標(biāo)函數(shù)即對偶函數(shù)g(ν,λ,μ)的最大值，已知原問題具有強(qiáng)對偶性，所以通過對偶問題(7)求得的最優(yōu)值即為原問題的最優(yōu)值。將拉格朗日函數(shù)對變量pi,k,n求偏導(dǎo)，并且令求完偏導(dǎo)之后的結(jié)果等于0，即：∂L(p,Ψ,ν,λ,μ)∂pi,k,n=0---(8)]]>通過對(8)式求解可以得到基站i中的第k個移動設(shè)備在第n個子載波上的最優(yōu)傳輸功率pi,k,n*=[λi,kBμiln2-BN0hi,k,n]+---(9)]]>其中符號[]+表示[]中的部分取非負(fù)值；在求出最優(yōu)的發(fā)射功率的前提下，下一步是求解最優(yōu)的和為了最小化整個系統(tǒng)的成本，應(yīng)優(yōu)先購買可再生能源公司的能量，因?yàn)榭稍偕茉垂镜哪芰康膬r(jià)格更低。此外，只有當(dāng)兩個基站中的某一個基站的所連接的可再生能源公司所收集到能量在比較充足的條件下，該基站才會共享其部分能量給另一個基站，以此來進(jìn)一步降低整個系統(tǒng)的能耗成本，換而言之，當(dāng)兩個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量都充足或者都不充足的條件時，兩個基站都不共享其自身的能量，因此，我們根據(jù)兩個基站是否共享了能量，將最優(yōu)的和的求解問題分兩種情況進(jìn)行討論，即：兩個基站共享的能量為零或者不為零；情形一、最優(yōu)的共享能量為0：即：ei*=0---(10)]]>為了方便，我們定義變量該變量表示基站i的電路的能量消耗和信號傳輸?shù)哪芰肯?，且根?jù)優(yōu)先購買可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量的原則，我們可以進(jìn)一步求出最優(yōu)的和即：Ei*=min(Ec(i),E‾i)---(11)]]>Gi*=max(Ec(i)-E‾i,0)---(12)]]>情形二、最優(yōu)的共享能量不為0：即兩個基站中有一個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量比較充足，而另一個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量不足，我們假設(shè)基站i所連接的可再生能源公司所收集到的能量比較充足，基站所連接的可再生能源公司所收集到的能量不足，即：且由此可知，基站i不需要從電網(wǎng)中購買能量，即：Gi*=0---(13)]]>根據(jù)能量共享的原則可知基站不需要共享能量，即：ei‾*=0---(14)]]>由于可再生能源公司中的能量的價(jià)格比電網(wǎng)中的價(jià)格低，所以基站應(yīng)該優(yōu)先從可再生能源公司中購買能量，則基站應(yīng)該購買其連接的可再生能源公司所收集到的所有能量以此來供應(yīng)基站的能量消耗，即：Ei‾*=E‾i‾---(15)]]>對于基站i所連接的可再生能源公司的所收集的能量，在除去基站i自身所需要的能量外，剩余的能量將會共享給基站但是，基站i共享給基站的能量有兩種可能性，即：基站i共享的能量能夠滿足基站或者不能夠滿足基站的需求，在這里，我們考慮共享的能量在傳輸過程中的損耗，并且損耗因子被設(shè)為η，下面我們將分別來討論這兩種情形：情形a)、基站i共享的能量能夠滿足基站的需求，即則此時基站i共享給基站的能量為：ei*=(Ec(i‾)-E‾i‾)/η---(16)]]>進(jìn)一步地，我們可知基站i從可再生能源公司購買的能量為其自身消耗的能量以及其共享給基站的能量即基站i從可再生能源公司購買的能量為：Ei*=Ec(i)+ei*---(17)]]>由于基站i共享給基站的能量能夠滿足基站的需求，則基站不需要從電網(wǎng)中購買能量，即：Gi‾*=0---(18)]]>情形b)、基站i共享的能量不能夠滿足基站的需求，即則此時基站i需要將可再生能源公司所收集到的所有能量全部購買，即：Ei*=E‾i---(19)]]>并且，基站i應(yīng)該將在滿足自身能量需求之外所剩余的全部能量共享給基站即基站i共享給基站的能量為：ei*=Ei*-Ec(i)---(20)]]>在基站接收了基站i共享的能量之后，基站還缺少的能量應(yīng)該由基站自身向電網(wǎng)購買，即基站向電網(wǎng)購買的能量為：Gi‾*=Ec(i‾)-Ei‾*-ηei*---(21)]]>上式(9)中含有拉格朗日對偶因子λi,k和μi，當(dāng)它們?nèi)〉阶顑?yōu)時，傳輸功率也就取到了最優(yōu)值。拉格朗日對偶因子最優(yōu)值的求解可以通過子梯度迭代算法來求解，其具體求解過程如下：a)設(shè)置初始迭代次數(shù)t＝0，設(shè)置每個移動設(shè)備的通信速率，初始化對偶因子集合初始值λ(0)，μ(0)為非負(fù)實(shí)數(shù)；b)當(dāng)?shù)螖?shù)為t時，用λ(t)，μ(t)表示當(dāng)前更新的拉格朗日對偶因子，將對偶因子集合λ(t)、μ(t)代入公式(9)中得到對應(yīng)的最優(yōu)信號傳輸功率并根據(jù)實(shí)際情形求解出最優(yōu)的和c)采用以下2式分別更新2種對偶因子：λi,k(t+1)=[λi,k(t)+s_λ(t)[Ri,k-Σn∈Si,kBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)]]+]]>μi(t+1)=[μi(t)+s_μ(t)[Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,n+Pc,i+ei-Ei-Gi-ηei‾]]+]]>其中，s_λ(t)和s_μ(t)分別表示相應(yīng)的拉格朗日對偶因子對應(yīng)的迭代步長，t表示迭代次數(shù)；d)令λ*＝λ(t+1)，μ*＝μ(t+1)，若λ*和μ*滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度，則輸出最優(yōu)對偶因子集合λ*和μ*，否則，令t＝t+1，跳轉(zhuǎn)至步驟b)，繼續(xù)迭代，直到滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度；5)計(jì)算基站與每個移動設(shè)備進(jìn)行通信時的最優(yōu)發(fā)射功率以及能量管理將得到的最優(yōu)拉格朗日因子最優(yōu)集合λ*和μ*根據(jù)實(shí)際情形代入式(9)-(21)中，即可得到在滿足每個移動設(shè)備的通信速率及最低成本的要求之下的最優(yōu)功率分配和能量管理。本發(fā)明的有益效果如下：本發(fā)明的協(xié)作資源分配方法通過傳統(tǒng)電網(wǎng)保障整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，同時使用可再生能源來降低系統(tǒng)的成本。在保障每個移動設(shè)備的通信速率要求的前提條件下，通過兩個蜂窩系統(tǒng)共享同一段頻譜來提高頻譜利用率，同時，當(dāng)兩個蜂窩系統(tǒng)中有一個蜂窩系統(tǒng)所連接的可再生能源公司所收集到的能量充足時，該基站會對另一個蜂窩系統(tǒng)共享部分能量，來進(jìn)一步降低整個網(wǎng)絡(luò)的成本，從而實(shí)現(xiàn)了整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)成本最小化的問題。附圖說明圖1是本發(fā)明的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。圖中表示整個系統(tǒng)包括兩個蜂窩系統(tǒng)，每個蜂窩系統(tǒng)都有一個基站以及若干個移動通信設(shè)備，且兩個基站共用同一段頻譜。蜂窩系統(tǒng)1通過電力線與風(fēng)能可再生能源公司以及電網(wǎng)相連接，蜂窩系統(tǒng)2通過電力線與太陽能可再生能源公司以及電網(wǎng)相連接。此外，兩個系統(tǒng)之間也通過電力線和電塔相連接，以此來作為兩個基站進(jìn)行能量共享時的共享線路。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不限于此。實(shí)施例：本發(fā)明實(shí)施例如圖1所示，一種混合供電模式下協(xié)作蜂窩網(wǎng)絡(luò)中的聯(lián)合資源協(xié)作分配方法，由以下系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)：該系統(tǒng)包括兩個蜂窩系統(tǒng)，每一個蜂窩系統(tǒng)中都有一個基站和Ki個單天線的移動設(shè)備，其中i表示第i基站，i∈M，由集合M＝{1,2}表示；Ki表示基站i有Ki個移動設(shè)備，k表示第k個移動設(shè)備，k∈K1∪K2,每個基站中的移動設(shè)備可以分別表示為集合K1＝{1,2,...,K1}和K2＝{1,2,...,K2}，設(shè)兩個基站共享同一段頻譜，并且信號都是經(jīng)過正交頻分復(fù)用調(diào)制技術(shù)，整個授權(quán)的頻帶被等帶寬分成N個正交窄帶子載波，每一個子載波的帶寬為B，其中n∈N，n表示第n個子載波，且設(shè)子載波的集合為N＝{1,2,...,N}，則兩個基站就會共享這N個子載波，令xi,k,n表示子載波的分配情況，其中i表示的第i個基站；k表示第k個移動設(shè)備；n表示第n個子載波，當(dāng)xi,k,n＝1表示子載波n分配給了i基站中的第k個移動設(shè)備；反之，當(dāng)xi,k,n＝0就表示子載波n沒有被分配給i基站中的第k個移動設(shè)備；我們主要研究蜂窩系統(tǒng)中的下行通信鏈路，令hi,k,n表示基站i中的第k個用戶在第n個子載波上通信時的信道增益，系統(tǒng)中的兩個基站在工作時所需要的能量來源有三部分：可再生能源、電網(wǎng)以及其他基站共享給它的能量，當(dāng)兩個基站中的某一基站所收集到的可再生能源的能量比較充足時，該基站便會向另一個基站提供部分共享能量，其過程為該基站會先通知另一基站所共享的能量的大小，其次該基站會在本地進(jìn)行升壓操作并將所要共享的能量注入電網(wǎng)之中，同時，另一基站會在其本地進(jìn)行降壓操作且從電網(wǎng)中獲取前一基站所提供共享的能量，該分配方法的具體步驟如下：1)計(jì)算每個移動設(shè)備的通信速率：基站通過子載波將信號發(fā)射至移動設(shè)備，此時移動設(shè)備在其所分配到的所有子載波上的通信速率和為：ri,k,n=Σn∈Nxi,k,nBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)---(1)]]>其中pi,k,n表示基站i中的第k個移動設(shè)備在第n子載波上的傳輸功率，N0表示高斯白噪聲的功率譜密度，符號∑表示對其下標(biāo)所限制的范圍內(nèi)進(jìn)行求和；2)計(jì)算每個基站所消耗的能量基站i在正常工作時，其能量消耗主要包括三部分：第一部分是維持通信設(shè)備正常工作時電路能量消耗Pc,i；第二部分是發(fā)射號所需要的能量Pi，且第三部分是基站共享給另一個基站的能量ei，則基站i所消耗的能量可以表示如下：Ci=Pc,i+Σk=1KiΣn∈Nxi,k,npi,k,n+ei---(2)]]>3)確定優(yōu)化問題以整個系統(tǒng)的成本為目標(biāo)函數(shù)，每個移動設(shè)備的通信速率，每個基站的能量消耗以及每個基站從可再生能源公司所能購買的最大能量為約束條件，構(gòu)造如下優(yōu)化問題：minΣi=12(γiEEi+γiGGi)]]>Subjectto:Σn∈Nxi,k,nBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)≥Ri,k]]>Pc,i+Σk=1KiΣn∈Nxi,k,npi,k,n+ei≤Ei+Gi+ηei‾---(3)]]>Ei≤E‾i]]>其中，表示第基站，且M\{i}表示屬于集合M除去元素i之后的集合；表示可再生能源公司的電能的單價(jià)；表示電網(wǎng)中的電能的單價(jià)；Ri,k表示每個移動設(shè)備的最小通信速率；Ei表示基站i從可再生能源公司所購買的能量；Gi表示基站i從電網(wǎng)中購買的能量；表示基站共享給基站i的能量；η表示能量傳輸效率；表示可再生能源公司所能提供的最大能量；式子(3)中的符號min表示最小值符號，符號Subjectto表示約束符號，(3)式表示在約束中對每個移動設(shè)備的通信速率、每個基站的能量消耗以及每個基站所能從可再生能源公司所購買的最大能量，求解目標(biāo)函數(shù)即min后的部分的最小值，該最小化問題在下面的描述中也稱之為原問題；4)求解優(yōu)化問題由于上述問題中既有整數(shù)變量xi,k,n，其取值為0或者1，又含有其他連續(xù)型變量，因此上述問題是一個混合二進(jìn)制整數(shù)規(guī)劃問題，為了降低解題的復(fù)雜度，我們將問題分解為兩個子問題，一是子載波分配問題，另一個是能量管理問題；問題一、子載波分配：首先我們來求解子載波的分配問題，對于基站而言，每個子載波的信道增益都是已知的，為了保證每一個移動設(shè)備都可以進(jìn)行正常的通信，則每一個移動設(shè)備至少應(yīng)該被分配一個子載波，因此我們提出兩步子載波分配算法，其具體分配過程如下:第一步：遍歷每一個移動設(shè)備，對于當(dāng)前遍歷到的移動設(shè)備，給其分配一個當(dāng)前所剩子載波中信道增益最好的子載波，經(jīng)過第一步的分配，每一個移動設(shè)備都被分配到了一個子載波；第二步：遍歷剩余的所有子載波，對于當(dāng)前遍歷到的子載波，將其分配給在該子載波上通信時信道增益最好的移動設(shè)備，經(jīng)過第二步分配操作，我們可以將第一步分配所剩余的全部子載波全都分配完；問題二、能量管理：通過上面的子載波分配算法，每個移動設(shè)備所分配到的子載波就是確定的，公式(3)所描述的問題是個涉及子載波分配和能量管理的問題，在子載波分配確定的條件之下，將這個問題轉(zhuǎn)換成單純的能量管理問題，該問題可以被重新規(guī)劃如下：minΣi=12(γiEEi+γiGGi)]]>Subjectto:Σn∈Si,kBlog2(1+ki,k,npi,k,nBN0)≥Ri,k]]>Pc,i+Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,n+ei≤Ei+Gi+ηei‾---(4)]]>Ei≤E‾i]]>其中，Si,k表示分配給基站i中的移動設(shè)備k的子載波集合；經(jīng)驗(yàn)證，公式(4)所描述的問題是一個凸問題，該凸問題存在唯一的最優(yōu)解，利用拉格朗日對偶理論，可以建立最小化問題即原問題與一個最大化問題即對偶問題之間的關(guān)系，我們研究的原問題具有強(qiáng)對偶性，因此可以通過求解對偶問題而得到原問題的最優(yōu)值，為了表述的方便，我們定義符號Ψ來代替Ei，Gi和ei，即Ψ＝{Ei,Gi,ei,i∈M,k∈Ki,n∈N}，原問題的拉格朗日函數(shù)可以表示為：L(p,Ψ,v,λ,μ)=Σi=12(γiEEi+γiGGi)+Σi=12νi(Ei-E‾i)-Σi=12Σk=1Kiλi,k[Σn∈Si,kBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)-Ri,k]+Σi=12μi[Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,n+Pc,i+ei-Ei-Gi-ηei‾]---(5)]]>則原函數(shù)的對偶函數(shù)為：g(v,λ,μ)=minp,ΨL(p,Ψ,v,λ,μ)---(6)]]>其中ν,λ,μ分別表示公式(4)中三個約束式中的三個約束條件的對偶向量，λi,k、μi分別表示公式(4)中第一個約束和第二個約束中每一個約束式所對應(yīng)的拉格朗日對偶因子，分別是對偶向量λ和μ中的元素，對偶函數(shù)對應(yīng)的對偶問題如下：max:g(ν,λ,μ)(7)Subjectto:ν,λ,μ≥0即對偶因子在集合ν,λ,μ≥0的約束條件下，通過優(yōu)化ν,λ,μ求解目標(biāo)函數(shù)即對偶函數(shù)g(ν,λ,μ)的最大值，已知原問題具有強(qiáng)對偶性，所以通過對偶問題(7)求得的最優(yōu)值即為原問題的最優(yōu)值。將拉格朗日函數(shù)對變量pi,k,n求偏導(dǎo)，并且令求完偏導(dǎo)之后的結(jié)果等于0，即：∂L(p,Ψ,ν,λ,μ)∂pi,k,n=0---(8)]]>通過對(8)式求解可以得到基站i中的第k個移動設(shè)備在第n個子載波上的最優(yōu)傳輸功率pi,k,n*=[λi,kBμiln2-BN0hi,k,n]+---(9)]]>其中符號[]+表示[]中的部分取非負(fù)值；在求出最優(yōu)的發(fā)射功率的前提下，下一步是求解最優(yōu)的和為了最小化整個系統(tǒng)的成本，應(yīng)優(yōu)先購買可再生能源公司的能量，因?yàn)榭稍偕茉垂镜哪芰康膬r(jià)格更低。此外，只有當(dāng)兩個基站中的某一個基站的所連接的可再生能源公司所收集到能量在比較充足的條件下，該基站才會共享其部分能量給另一個基站，以此來進(jìn)一步降低整個系統(tǒng)的能耗成本，換而言之，當(dāng)兩個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量都充足或者都不充足的條件時，兩個基站都不共享其自身的能量，因此，我們根據(jù)兩個基站是否共享了能量，將最優(yōu)的和的求解問題分兩種情況進(jìn)行討論，即：兩個基站共享的能量為零或者不為零；情形一、最優(yōu)的共享能量為0：即：ei*=0---(10)]]>為了方便，我們定義變量該變量表示基站i的電路的能量消耗和信號傳輸?shù)哪芰肯?，且根?jù)優(yōu)先購買可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量的原則，我們可以進(jìn)一步求出最優(yōu)的和即：Ei*=min(Ec(i),E‾i)---(11)]]>Gi*=max(Ec(i)-E‾i,0)---(12)]]>情形二、最優(yōu)的共享能量不為0：即兩個基站中有一個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量比較充足，而另一個基站所連接的可再生能源公司從環(huán)境中收集到的能量不足，我們假設(shè)基站i所連接的可再生能源公司所收集到的能量比較充足，基站所連接的可再生能源公司所收集到的能量不足，即：且由此可知，基站i不需要從電網(wǎng)中購買能量，即：Gi*=0---(13)]]>根據(jù)能量共享的原則可知基站不需要共享能量，即：ei‾*=0---(14)]]>由于可再生能源公司中的能量的價(jià)格比電網(wǎng)中的價(jià)格低，所以基站應(yīng)該優(yōu)先從可再生能源公司中購買能量，則基站應(yīng)該購買其連接的可再生能源公司所收集到的所有能量以此來供應(yīng)基站的能量消耗，即：Ei‾*=E‾i‾---(15)]]>對于基站i所連接的可再生能源公司的所收集的能量，在除去基站i自身所需要的能量外，剩余的能量將會共享給基站但是，基站i共享給基站的能量有兩種可能性，即：基站i共享的能量能夠滿足基站或者不能夠滿足基站的需求，在這里，我們考慮共享的能量在傳輸過程中的損耗，并且損耗因子被設(shè)為η，下面我們將分別來討論這兩種情形：情形a)、基站i共享的能量能夠滿足基站的需求，即則此時基站i共享給基站的能量為：ei*=(Ec(i‾)-E‾i‾)/η---(16)]]>進(jìn)一步地，我們可知基站i從可再生能源公司購買的能量為其自身消耗的能量以及其共享給基站的能量即基站i從可再生能源公司購買的能量為：Ei*=Ec(i)+ei*---(17)]]>由于基站i共享給基站的能量能夠滿足基站的需求，則基站不需要從電網(wǎng)中購買能量，即：Gi‾*=0---(18)]]>情形b)、基站i共享的能量不能夠滿足基站的需求，即則此時基站i需要將可再生能源公司所收集到的所有能量全部購買，即：Ei*=E‾i---(19)]]>并且，基站i應(yīng)該將在滿足自身能量需求之外所剩余的全部能量共享給基站即基站i共享給基站的能量為：ei*=Ei*-Ec(i)---(20)]]>在基站接收了基站i共享的能量之后，基站還缺少的能量應(yīng)該由基站自身向電網(wǎng)購買，即基站向電網(wǎng)購買的能量為：Gi‾*=Ec(i‾)-Ei‾*-ηei*---(21)]]>上式(9)中含有拉格朗日對偶因子λi,k和μi，當(dāng)它們?nèi)〉阶顑?yōu)時，傳輸功率也就取到了最優(yōu)值，拉格朗日對偶因子最優(yōu)值的求解可以通過子梯度迭代算法來求解，其具體求解過程如下：a)設(shè)置初始迭代次數(shù)t＝0，設(shè)置每個移動設(shè)備的通信速率，初始化對偶因子集合初始值λ(0)，μ(0)為非負(fù)實(shí)數(shù)；b)當(dāng)?shù)螖?shù)為t時，用λ(t)，μ(t)表示當(dāng)前更新的拉格朗日對偶因子，將對偶因子集合λ(t)、μ(t)代入公式(9)中得到對應(yīng)的最優(yōu)信號傳輸功率并根據(jù)實(shí)際情形求解出最優(yōu)的和c)采用以下2式分別更新2種對偶因子：λi,k(t+1)=[λi,k(t)+s_λ(t)[Ri,k-Σn∈Si,kBlog2(1+hi,k,npi,k,nBN0)]]+]]>μi(t+1)=[μi(t)+s_μ(t)[Σk=1KiΣn∈Si,kpi,k,n+Pc,i+ei-Ei-Gi-ηei‾]]+]]>其中，s_λ(t)和s_μ(t)分別表示相應(yīng)的拉格朗日對偶因子對應(yīng)的迭代步長，t表示迭代次數(shù)；d)令λ*＝λ(t+1)，μ*＝μ(t+1)，若λ*和μ*滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度，則輸出最優(yōu)對偶因子集合λ*和μ*，否則，令t＝t+1，跳轉(zhuǎn)至步驟b)，繼續(xù)迭代，直到滿足預(yù)定義的數(shù)據(jù)精度；5)計(jì)算基站與每個移動設(shè)備進(jìn)行通信時的最優(yōu)發(fā)射功率以及能量管理將得到的最優(yōu)拉格朗日因子最優(yōu)集合λ*和μ*根據(jù)實(shí)際情形代入式(9)-(21)中，即可得到在滿足每個移動設(shè)備的通信速率及最低成本的要求之下的最優(yōu)功率分配和能量管理。當(dāng)前第1頁1 2 3