基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法组成比例

本发明专利技术提出了一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，包括以下步骤：功率分配策略；设置拉格朗日乘子范围及能效迭代初值；确定可达信道容量值；计算缓存数据量；计算平均发射功率

Power Allocation Method for Energy Efficiency Optimization in Uplink of High-speed Rail Communication Based on Cache

The invention proposes a power allocation method based on cache for energy efficiency optimization of high-speed rail communication upstream link, which includes the following steps: power allocation strategy; setting Lagrange multiplier range and initial energy efficiency iteration value; determining achievable channel capacity value; calculating buffer data amount; and calculating average transmit power.

【技术实现步骤摘要】
基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法
本专利技术涉及一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，具体的说是一种基于列车上接入点处的缓存考虑列车到基站上行链路能效优化的功率分配方法，属于无线通信技术

技术介绍
随着高速铁路的迅猛发展，高铁无线通信系统越来越受到人们的关注。且随着用户业务需求的不断增长，对高铁无线通信系统的服务质量要求也愈来愈高。然而，高速移动性和高带宽要求也带来了极高的能耗，因此如何降低高铁通信系统的能耗也是一个值得探讨的问题。除了采用先进的物理层技术提高无线传输的能效之外，对移动通信系统进行资源管理也是一个行之有效的解决办法。由于列车高速移动，铁路沿线的基站可以为列车服务的时间是有限的，且列车与基站之间的无线信道状态也在快速变化。而且，高铁多数是视距传输，传输速率是由列车与基站之间的距离决定的，且可以预测列车下一时刻的位置和传输速率。随着列车驶向小区边缘，接入点处能够提供的服务速率越来越小，使得部分信息不能及时传送出去，即部分数据会存放在缓存区内。如何使列车在满足缓存区要求的条件下获得能效与时间公平的折中是一个值得思考的问题。经检索发现，HuiLi等人在《IEEETransactionsonCommunications,Volume62,Issue2,Feb.2014,pp.638-647(电气电子工程师协会通信会刊，2014年2月，第62卷第2期，第638-647页)》上发表了题为“EnergyEfficiencyofLarge-ScaleMultipleAntennaSystemswithTransmitAntennaSelection(具有发射天线选择的大型多天线系统的能量效率)”的文章，该文主要提出了通过发射端的天线选择方案来提高系统的能效，然而该文没有考虑高铁场景；ChuangZhang等人在《IEEETransactionsonVehicularTechnologyJan.2015,pp.5775-5788(电气电子工程师协会车载技术会刊，2015年1月，第5775-5788页)》上发表了题为“OptimalPowerAllocationWithDelayConstraintforSignalTransmissionsFromaMovingTraintoBaseStationsinHigh-SpeedRailwayScenarios(高铁场景下移动的列车到基站间带延迟约束的最优功率分配)”一文，该文通过匹配接入点处的数据到达率与无线传输速率来最小化发射功率，但是在现可提供的最大化平均功率的限制下没有达到更有效的传输系统容量；TaoLi等人在《IEEEAccessMay2017,pp.8343-8356(美国电气电子工程师学会，2017年5月，第8343-8356页)》上发表了题为“Service-OrientedPowerAllocationforHigh-SpeedRailwayWirelessCommunications”一文，该文研究了基于服务质量区分时域功率分配算法，以达到延迟敏感流和延迟不敏感流的最大可实现速率区域，其不足之处在于没有考虑时间公平性问题；YunquanDong等人在《IEEETransactionsonVehicularTechnology,Volume63,Issue2,Feb.2014,pp.925-930(电气电子工程师协会车载技术会刊，2014年2月，第63卷第2期，第925-930页)》上发表了题为“High-SpeedRailwayWirelessCommunications:EfficiencyVersusFairness(高铁无线通信：效率与公平)”，该文提出了高铁场景下基于时间公平的功率分配方法，但是该文没有考虑缓存，会造成列车上用户信息的丢失。另外，专利号为2015100291618的中国专利公开了一种用于LTE系统能效优化的联合动态资源分配方法，该方法采用分步资源调度策略能有效降低计算复杂度，使能量效率最优；申请号为2017106383006的中国专利申请公开了一种蜂窝下行通信能效优化方法，该方法采用基站辅助决策和接收点独立决策的措施。但是，这两件专利都没有考虑高速移动性，只是考虑传统的移动通信场景。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是，克服现有技术的不足而提供一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，该方法基于列车上接入点处缓存区的要求，获得满足缓存区要求、发送功率限制及在此过程中没有丢包现象的能效优化功率分配，再通过控制更新拉格朗日乘子来使得其满足限制条件，即列车上接入点获得可用的发送功率及其相应的系统容量。本专利技术提供一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，包括以下步骤：第一步、获得列车到沿途基站上行链路的能效优化功率分配策略假设车载缓存终端的发送功率为P(h(t))，则根据下式确定发送功率的动态分配即取值范围，其中，γm表示第m次迭代时的能效值，λ、η和κ分别为解三个约束条件的拉格朗日乘子，t1为开始缓存时刻，T表示列车经过一个小区使用的时间，u表示数据到达率，h(t)表示大尺度衰落信道增益。第二步、设置拉格朗日乘子范围及能效迭代初值首先给出拉格朗日乘子λ、η和κ的取值范围(即λmax、λmin、ηmax、ηmin、κmax、κmin)以及γm的初值(γ0)，根据二分法得到λ、η和κ的相应初值，再判断这些初值是否满足优化的约束条件，如此不断更新其值，直到满足约束条件时停止更新，最终获得最优的λ、η、κ及γm值。第三步、确定接入点到基站的可达信道容量值根据下式计算系统的瞬时信道容量C(t)，C(t)＝log2(1+h(t)P(h(t)))其中，h(t)表示大尺度衰落信道增益，P(h(t))表示车载缓存终端的发送功率。第四步、计算缓存数据量根据下式计算数据缓存的数据量Qc，其中，T表示列车经过一个小区使用的时间，t1为开始缓存时刻，u表示数据到达率，是一个常数，C(t)表示瞬时信道容量，dt表示对时间t进行积分，t表示列车从正对基站的位置开始行使所花的时间，本专利技术中其取值范围是[0,T/2]，T是列车通过一个基站覆盖的小区的时间。第五步、计算平均发射功率Pa和平均信道容量Ca计算列车在通过该小区的过程中消耗的平均发射功率Pa和平均信道容量Ca。整个过程中列车上接入点处消耗的总功率和总的服务速率是分为三个时间段来计算的。先根据步骤一的功率分配策略确定列车在通过一个小区过程中的三个时间段，再分别计算整个过程中相应消耗的总发射功率及总的可达信道容量值，进而计算列车通过小区过程中的平均发射功率Pa和平均信道容量Ca。第六步、能效优化判断是否有数据丢失，若有数据丢失，则通过二分法更新λ的值，并返回步骤三；若没有数据丢失，则实际消耗的发射功率是否满足条件，若不满足条件，则通过二分法更新η的值，并返回步骤三；若满足条件，则判断系统平均信道容量Ca是否不小于数据到达率u，若小于则通过二分法更新κ的值，并返回步骤三；若不小于则结束该内层循环，确定了λ、η和κ的值，再根据下式计算本次迭代的能效值γm，第七步、最优化判决根据下式计算第m次迭代的容量误差，其中，Cm(t)表示第m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、功率分配策略假设车载缓存终端的发送功率为P(h(t))，则根据下式确定其取值范围，

【技术特征摘要】
1.一种基于缓存的高铁通信上行链路能效优化的功率分配方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步、功率分配策略假设车载缓存终端的发送功率为P(h(t))，则根据下式确定其取值范围，其中，γm表示第m次迭代时的能效值，λ、η和κ分别为解三个约束条件的拉格朗日乘子，t1为开始缓存时刻，T表示列车经过一个小区使用的时间，u表示数据到达率，h(t)表示大尺度衰落信道增益；第二步、设置拉格朗日乘子范围及能效迭代初值给出拉格朗日乘子λ、η和κ的取值范围以及γm的初值，根据二分法得到λ、η和κ的相应初值，再判断这些初值是否满足优化的约束条件，如此不断更新其值，直到满足约束条件时停止更新，最终获得最优的λ、η、κ及γm值；第三步、确定可达信道容量值根据下式计算系统的瞬时信道容量C(t)，C(t)＝log2(1+h(t)P(h(t)))其中，h(t)表示大尺度衰落信道增益，P(h(t))表示车载缓存终端的发送功率；第四步、计算缓存数据量根据下式计算数据缓存的数据量Qc，其中，T表示列车经过一个小区使用的时间，t1为开始缓存时刻，u表示数据到达率，C(t)表示瞬时信道容量；第五步、计算平均发射功率Pa和平均信道容量Ca先根据步骤一的功率分配策略确定列车在通过一个小区过程中的三个时间段，再分别计算整个过程中相应消耗的总发射功率及总的可达信道容量值，进而计算列车通过小区过程中的平均发射功率Pa和平均信道容量Ca；第六步、能效优化判断是否有数据丢失，若有数据丢失，则通过二分法更新λ的值，并返回步骤三；若没有数据丢失，则实际消耗的发射功率是否满足条件，若不满足条件，则通过二分法更新η的值，并返回步骤三；若满足条件，则判断系统平均信道容量Ca是否不小于数据到达率u，若小于则通过二分法更新κ的值，并返回步骤三；若不小于则结束该内层循环；第七步、最优化判决根据下式计算第m次迭代的容量误差，其中，Cm(t)表示第m次迭代时的可达信道容量值，Pm(h(t))表示第m次迭代时的发送功率，Pc表示固定的电路功率损耗；设置最优能效的误差阈值ε，并判断上述第m次迭代的容量误差是否...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐友云，余蜜，王小明，陈建平，王云峰，
申请(专利权)人：南京邮电大学，南京泰通科技股份有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32