一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法技术

本发明专利技术公开了一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法，属于无线通信技术领域。本发明专利技术方法用基站发送功率的产出投入关系来定义系统的能量效率，结合平均场博弈的能量效率优化算法，通过数学推导得出了每个基站的最优控制策略应满足的方程组，求解得到最优化基站发送功率，从而提高基站的能量效率，本发明专利技术方法有效针对提出的功率控制策略的大规模网络，采用本发明专利技术方法能效保持稳定，且能量效率大于采用固定发射功率策略。

An energy efficiency optimization method for mobile communication base station based on mean field game

The invention discloses an energy efficiency optimization method of mobile communication base station based on average field game, belonging to the field of wireless communication technology. The method of the invention for base station transmission power input-output relations to define the energy efficiency of the system, combined with the average game energy efficiency optimization algorithm, the optimal control strategy of each base station should satisfy the equations obtained by mathematical derivation, obtained optimal base station transmit power, to improve the energy efficiency of the base station, the method of the invention effectively according to the large network proposed power control strategy, using the method of energy efficiency remained stable, and the energy efficiency greater than a fixed transmit power strategy.

【技术实现步骤摘要】
一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法
本专利技术属于无线通信
，更具体地，涉及一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法。
技术介绍
随着移动通信用户数量的急剧增加和网络传输流量的增加，在未来可预见时期基站的密度将会大幅提升，网络规模大幅扩张，基站的密度提升必然带来通信能耗的增加，因此研究大规模网络下的通信的能效问题是十分重要的。目前针对移动通信网络的能效优化主要通过优化发射功率、优化用户接入策略或优化基站关断策略等：优化基站发射功率主要通过在多用户信道上进行功率分配；优化用户接入策略是通过优化用户在接入基站时的选择，来实现能效的最优化；优化基站关断策略是通过关断部分空闲基站来实现能效优化。在未来，随着移动通信用户数量的急剧增加和网络传输流量的增加，基站和用户的密度将会大幅提升，网络规模会大幅扩张。但现有技术方案中，没有解决大规模网络场景下基站一段时间内能效最优化的问题。现有技术主要针对单基站多用户场景，且针对某个时刻点的最优，而未来可预见时期网络规模巨大，网络情况变化迅速，现有的技术难以满足优化要求。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法，其目的在于用基站发送功率的产出投入关系来定义系统的能量效率，结合平均场博弈的能量效率优化算法，针对大规模网络，通过数学推导得出了每个基站的最优控制策略应满足的方程组，从而提高基站的能量效率。为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法，该方法包括以下步骤：(1)根据实际移动网络状态初始化网络参数；(2)初始化时间的离散点数X和基站射频电池状态的离散点数Y；确定X时刻任一电池状态下函数值V(X,y)；确定平均场m在任一时刻和任一电池状态下的值m(x,y)；初始化时刻i＝X，i∈x，初始化电池状态j＝Y，j∈y；(3)当x＝i时，将V(x,y)和m(x,y)代入下式求解最大化问题，得到i时刻任一电池状态下的发射功率p(i,y)；其中，UmeanBS(p(x,y),m(x,y))表示基站的效用函数值；(4)当x＝i时，将p(i,y)代入下式，求解出V(i-1,y)，判断i-1＝0是否成立，若是则进入步骤(5)，否则i＝i-1，返回步骤(3)；(5)得到任一时刻任一电池状态下的发射功率p(x,y)，对于所有x和y，保持m(0,y)不变，时刻x和电池状态y从0开始循环，直到x＝X,y＝Y，迭代计算下列表达式：得到更新后的平均场m(x,y)，其中，(6)计算更新后的平均场与更新前的平均场变化的绝对值Dif，判断Dif≤th是否成立，若成立则结果收敛，发射功率p(x,y)为最优化发射策略；否则更新平均场m(x,y)返回步骤(3)，其中th为变化阈值。进一步地，所述步骤(1)中网络参数包括：基站固定能耗pstatic，网络基站密度λBS，用户发射功率pT-UE，用户固定功耗pUE-static，基站射频电池最大能量储备Emax，基站最大发射功率PT-RRUmax，子干扰衰落分布hself，路径损耗α，网络背景噪声功率N0，电池充电周期T。进一步地，所述步骤(3)中UmeanBS(p(x,y),m(x,y))为基站加权能效，表示基站在综合考虑上下行链路能效后的效用值，UmeanBS(p(x,y),m(x,y))＝EEDL-mean(x)+β·EEUL-mean(x)，其中，β表示权重，取值可根据实际网络需求选择；EEDL-mean(x)表示基站下行链路平均能效：EEUL-mean(x)表示基站上行链路能效：其中，rRRU-UE(x)表示基站到用户的距离；rRRU-RRU(x)表示基站间的距离；Imean-UE(x)表示用户所受的干扰；Imean-RRU(x)表示基站所受干扰；ω表示积分变量。总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术特征及有益效果：本专利技术方法针对大规模网络，以优化移动通信基站能量效率为目的，用基站发送功率的产出投入关系来定义系统的能量效率，提出了一种基于平均场博弈的能量效率优化算法，通过数学推导得出了每个基站的最优控制策略应满足的方程组，采用本专利技术方法提出的功率控制策略的网络，能效保持相对稳定，且大于采用固定发射功率策略。附图说明图1是本专利技术实施例中基站和用户的分布状态；图2是本专利技术方法流程图；图3是本专利技术实施例的仿真实验结果。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。如图1所示，假设基站和用户的分布满足泊松分布模型，基站的分布用ΠBS表示，ΠBS的密度为λBS。用户的分布用ΠUE表示，ΠUE的密度为λUE。假设基站采用全双工(FD)技术，用户采用半双工(HD)技术。我们用UEi表示第i个用户。我们假设所有用户的发射功率是保持不变的，统一设为pT-UE。假设基站的发射功率最大值为PT-RRUmax，其中基站k的发射功率用p表示，所以基站的发射功率满足0≤p≤PT-RRUmax。由于我们为基站的射频链路配备了一个射频电池，而射频电池的充电是有周期性的，我们设电池每隔时间段T进行一次能量的收集，电池所能存储的最大能量为Emax。因此在时间段T内，基站射频链路所能使用的能量是有限的，因此，我们需要考虑每个时间段T内基站平均能效的最优化。基站的目标是最优化能量效率，但能效需同时考虑上下行。根据平均场博弈理论，我们通过求解如下方程组即可得到基站的最有发射功率策略：其中e表示基站射频电池的剩余电量。V表示一段时间内加权能效积分期望值的最大值。m表示平均场。UmeanBS(p(x,y),m(x,y))表示基站的效用函数值：UmeanBS(p(t,e),m(t,e))＝EEDL-mean(t)+β·EEUL-mean(t)(2)β表示分配在上行和下行链路能效中的权重，EEDL-mean(t)表示基站下行链路在时刻t的平均能效，EEUL-mean(t)表示基站上行链路的平均能效。由于基站采用全双工技术，在同一个时刻可同时服务上下行链路用户。其中EEDL-mean(t)可用如下表达式计算：rRRU-UE(t)表示基站到用户之间的距离。Imean-UE(t)表示用户所受的干扰，可在实际网络中测得。N0为网络噪声功率，可在实际网络中测得。pstatic表示基站的固定功耗。EEUL-mean(t)可用如下表达式计算：其中rRRU-RRU(t)表示基站与基站间的间隔。Imean-RRU(t)为基站所受的来自其他基站的干扰，可在网络中实际测得。hself(t)表示基站所受的来自发射端的自干扰。pUE-static表示用户的固定功耗。根据平均场博弈理论，方程组(1)不存在解析解，因此我们将模型中的时间量和基站电池状态量进行离散化，离散成为(X+1)×(Y+1)个点的空间，将连续方程转化为离散方程，从而求得方程的数值解，离散的方式如下：因此V(t,e),m(t,e)在离散后可以表示为V(x,y),m(x,y)，其中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法，其特征在于，所述方法包括：(1)根据实际移动网络状态初始化网络参数；(2)初始化时间的离散点数X和基站射频电池状态的离散点数Y；确定X时刻任一电池状态下函数值V(X,y)；确定平均场m在任一时刻和任一电池状态下的值m(x,y)；初始化时刻i＝X，i∈x，初始化电池状态j＝Y，j∈y；(3)当x＝i时，将V(x,y)和m(x,y)代入下式求解最大化问题，

【技术特征摘要】
1.一种基于平均场博弈的移动通信基站能效优化方法，其特征在于，所述方法包括：(1)根据实际移动网络状态初始化网络参数；(2)初始化时间的离散点数X和基站射频电池状态的离散点数Y；确定X时刻任一电池状态下函数值V(X,y)；确定平均场m在任一时刻和任一电池状态下的值m(x,y)；初始化时刻i＝X，i∈x，初始化电池状态j＝Y，j∈y；(3)当x＝i时，将V(x,y)和m(x,y)代入下式求解最大化问题，得到i时刻任一电池状态下的发射功率p(i,y)；其中，UmeanBS(p(x,y),m(x,y))表示基站的效用函数值；(4)当x＝i时，将p(i,y)代入下式，求解出V(i-1,y)，判断i-1＝0是否成立，若是则进入步骤(5)，否则i＝i-1，返回步骤(3)；(5)得到任一时刻任一电池状态下的发射功率p(x,y)，对于所有x和y，保持m(0,y)不变，时刻x和电池状态y从0开始循环，直到x＝X,y＝Y，迭代计算下列表达式：得到更新后的平均场m(x,y)，其中，(6)计算更新后的平均场与更新前的平均场变化的绝对值Dif，判断Dif≤th是否成立，若成立则结果收敛，发射功率p(x,y)为最优化发射策略；否则更新平均场m(x,y)返回步骤(3)，其中th为变化阈值。2.根据权利要求1所述的一种移动通信基站能效优化方法，其特征在于，所述步骤(1)中网络参数包括：基站固定能耗pstatic，网络基站密度λB...

【专利技术属性】
技术研发人员：葛晓虎，贾皓明，韩涛，李强，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北,42