本發(fā)明屬于通信，尤其涉及一種leo星地融合上行通信系統(tǒng)的無線資源分配方法。

背景技術(shù)：

1、現(xiàn)有對leo星地融合網(wǎng)絡(luò)上行傳輸系統(tǒng)的研究中，大多是以系統(tǒng)的上行吞吐量為優(yōu)化目標，缺少對系統(tǒng)能量效率的研究，同時部分研究也缺少對用戶的卸載速率需求的考慮；此外，多數(shù)研究在整個系統(tǒng)的設(shè)計和優(yōu)化中使用傳統(tǒng)的混合整數(shù)規(guī)劃方案，算法復(fù)雜度比較高，而其中大多用戶的基站選擇的問題也采用就近接入的策略來處理。因此，需要一個聯(lián)合選擇和分配的調(diào)度方案，但設(shè)計一個聯(lián)合用戶基站選擇、子載波和功率分配的優(yōu)化方案會引入大量的0-1整數(shù)變量，這也增加了算法設(shè)計的難度。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明提供了一種leo星地融合上行通信系統(tǒng)的無線資源分配方法。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明公開了一種leo星地融合上行通信系統(tǒng)的無線資源分配方法，該方法具體為：步驟一：以最大化上行系統(tǒng)能效為目標函數(shù)，基于地面網(wǎng)絡(luò)用戶的功率分配、基站選擇、載波分配以及基站到衛(wèi)星鏈路的基站功率分配和載波選擇的聯(lián)合優(yōu)化問題構(gòu)建系統(tǒng)能效最大化模型a1；并采用符號函數(shù)耦合功率分配變量與載波分配變量構(gòu)建約束條件；

3、步驟二：將步驟一中的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為優(yōu)化目標函數(shù)下界的近似問題，從而將模型a1轉(zhuǎn)換為模型a2；

4、步驟三：根據(jù)模型a2的約束條件，將模型a2中的下界近似問題分解為用戶與基站功率分配和載波分配與基站選擇兩個子問題，引入松弛變量，將模型a2中與用戶與基站功率分配相關(guān)的非凸約束條件轉(zhuǎn)化為凸約束條件；構(gòu)建線性迭代函數(shù)，將模型a2中與載波分配與基站選擇相關(guān)的非凸約束條件轉(zhuǎn)化為凸約束條件，從而將模型a2轉(zhuǎn)換為模型a3；

5、步驟四：迭代求解模型a3，得到最終的用戶的載波功率分配狀態(tài)p和最基站載波功率狀態(tài)q；p＝[p1,…,pu,…,pu]，q＝[q1,…,qb,…,qb]，其中qb表示基站b的優(yōu)載波功率分配，pu表示用戶u的載波功率分配；b表示基站的總個數(shù)，u表示用戶的總個數(shù)，qb,m表示基站b在衛(wèi)星的第m個子載波上分配的發(fā)射功率；m＝1,2,…,m；m表示基站到衛(wèi)星之間的可用子載波總數(shù)量；表示用戶u在第b個基站的第n個子載波上分配的發(fā)射功率,n＝1,2,…,n,n表示用戶與基站之間可用子載波的總個數(shù)。

6、進一步的，所述步驟一種系統(tǒng)能效最大化模型a1的表達式如下所示：

7、

8、其中，ru表示第u個用戶能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)卸載速率，表示用戶u在第b個基站的n個子載波上能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)卸載速率，的表達式為：b0為每個子帶的帶寬，b0＝bc/n，bc為地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的ofdm頻帶帶寬，為用戶u在第b個基站的第n個子載波上分配的發(fā)射功率，為用戶u在第b個基站的第n個子載波上的信道增益系數(shù)，的表達式為：α為路徑損耗指數(shù)，為小尺度瑞利衰落，du,b為用戶到基站之間的距離；為地面?zhèn)鬏斚到y(tǒng)的高斯白噪聲功率；p0為每個用戶的額定發(fā)射功率；sgn(.)為符號函數(shù)，為用戶u使用第b個基站的第n個子載波的指示變量，若為用戶u使用了第b個基站的第n個子載波，否則d0為預(yù)設(shè)的用戶數(shù)據(jù)卸載速率下限，q0為每個基站的額定發(fā)射功率，sgn(qb,m)＝y(tǒng)b,m，yb,m為第b個基站使用衛(wèi)星的第m個子載波的指示變量；rb為第b個基站能夠?qū)崿F(xiàn)的數(shù)據(jù)卸載速率，rb的表達式為：cb為基站b到衛(wèi)星可實現(xiàn)的總回程鏈路容量。

9、進一步的，所述模型a2的表達式為：

10、

11、其中，t是上行通信系統(tǒng)能量效率平方的下界，v是基站總功率平方的上界。

12、進一步的，所述步驟三中將模型a2中與用戶與基站功率分配相關(guān)的非凸約束條件轉(zhuǎn)化為凸約束條件，具體為：

13、步驟3.1：采用下界松弛變量將約束條件c1.1轉(zhuǎn)化為c1.1.1和c1.1.2：

14、

15、其中，表示用戶u在第b個基站的第n個子載波上可實現(xiàn)的信干噪比，

16、步驟3.2：采用下界松弛變量將約束條件c1.1.1和c1.1.2轉(zhuǎn)化為c1.1.3和

17、c1.1.4：

18、

19、步驟3.3：將非凸約束條件c1.1.3轉(zhuǎn)化為凸約束條件c1.1.5：

20、

21、其中，θ(i)表示凸上界，i表示對模型a3中用戶與基站功率分配問題進行迭代求解時的第i次迭代，且

22、步驟3.4：引入上界松弛變量將非凸約束條件c1.1.2轉(zhuǎn)化為c1.1.6和c1.1.7

23、

24、步驟3.5：引入上界松弛變量將非凸約束條件c1.1.6轉(zhuǎn)化為凸約束條件c1.1.8：

25、

26、步驟3.6：將非凸約束條件c4.1轉(zhuǎn)化為凸約束條件c4.1.1：

27、

28、步驟3.7將非凸約束條件c7.1轉(zhuǎn)化為凸約束條件c7.1.1：

29、

30、其中，gb,m表示第b個基站在衛(wèi)星第m個子載波上的信道增益系數(shù)，gs和gr分別表示基站和衛(wèi)星的天線增益，λm表示第m個子載波的波長，db表示基站到衛(wèi)星之間的距離，βb,m表示小尺度瑞利衰落，b1＝bka/m，bka是衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的ofdm頻帶帶寬；表示衛(wèi)星傳輸系統(tǒng)的高斯白噪聲功率。

31、進一步的，所述步驟三中建立的下線性迭代函數(shù)表達式如下所示：

32、

33、其中，τ1和τ2是恒定的正則化因子，c1和c2是常數(shù)，上標k是對模型a3中載波分配與基站問題求解時的第k次迭代；

34、將模型a2中與載波分配與基站選擇相關(guān)的非凸約束條件轉(zhuǎn)化為凸約束條件，具體為：

35、用戶基站選擇的非凸約束條件c3.1轉(zhuǎn)化為凸約束條件c3.1.1：

36、

37、將用戶載波分配的非凸約束條件c2.1轉(zhuǎn)化為凸約束條件c2.1.1：

38、將基站載波分配的非凸約束條件c6.1轉(zhuǎn)化為凸約束條件c6.1.1：

39、進一步的，所述模型a3的表達式為：

40、

41、其中，δ為構(gòu)成的矩陣，φ為構(gòu)成的矩陣，γ為構(gòu)成的矩陣，τ1和τ2是恒定的正則化因子，c1和c2是常數(shù)，上標k是對模型a3中載波分配與基站問題求解時的第k次迭代。

42、進一步的，所述步驟四具體為：

43、步驟4.1：初始化迭代次數(shù)、精度、用戶功率和基站功率；初始化用戶功率為p0/n，基站功率為q0/m，且初始化后的用戶功率和基站功率滿足約束條件c1，c2.1.1，c3.1.1，c5.1，c6.1.1；

44、步驟4.2：采用逐次凸逼近的方法求解轉(zhuǎn)模型a3，得到第i次迭代結(jié)果t(i),v(i),δ(i)，γ(i)；

45、步驟4.3：將t(i),v(i),δ(i)，γ(i)代入到模型a3，進行下一次迭代，直到模型a3的目標函數(shù)值不再變化，迭代終止，基于最優(yōu)的t*,v*,δ*，γ*得到p和q的初始值，并轉(zhuǎn)步驟4.4：

46、步驟4.4：采用線性逼近的方法迭代求模型a3；得到第k次迭代結(jié)果p(k)和q(k)；

47、步驟4.5：將p(k)和q(k)代入到模型a3中，進行下一次迭代，當?shù)慕Y(jié)果不在變化時，終止迭代，輸出p和q的最優(yōu)值。

48、進一步的，所述步驟四具體為：所述步驟4.1初始化時，t(0)的初始值為：

49、

50、其中，上標0表示初始值。

51、有益效果：本發(fā)明去掉了0-1整數(shù)優(yōu)化變量，計算復(fù)雜度低，獲得了更高的上行系統(tǒng)能效。