[发明专利]一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法

权利要求书

1.一种基于对分搜索式的非正交接入上行传输时间优化方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)在基站的覆盖范围下总共有I个移动用户，移动用户用集合表示，移动用户使用非正交接入技术同时向基站发送数据，其中移动用户i需要发送的数据量用表示；

在保证发送完成所有移动用户数据量的条件下，最小化上行传输时间与所有移动用户总能量消耗的优化问题描述为如下所示的优化问题ORRCM问题，ORRCM指的是整体无线资源消耗最小化：

ORRCM:

0≤t≤T^max (1-3)

变量:t

下面将问题中的各个变量做一个说明，如下：

α：上行传输时间的权重因子；

β：上行传输总能量消耗的权重因子；

t：移动用户发送数据到基站的上行传输时间，单位是秒；

是关于t的函数，表示移动用户i为了在给定上行传输时间t内完成发送数据量所需要的最小发射功率，单位是瓦特；

W：移动用户到基站的信道带宽，单位是赫兹；

n₀：信道背景噪声的频谱功率密度；

g_iB：移动用户i到基站的信道功率增益；

移动用户i需要发送到基站的数据量，单位是兆比特；

移动用户i最大上传能量消耗，单位是焦耳；

T^max：移动用户发送数据到基站的最大上行传输时间，单位是秒；

通过引入一个辅助变量求解ORRCM优化问题；

(2)ORRCM问题表示如下：

ORRCM:

s.t.表达式(1-1)

表达式(1-2)

变量:0≤t≤T^max

ORRCM问题是在给定移动用户上传量的情况下找到最小的上行传输时间与所有用户总能量消耗，定义一个变量x，如下：

ORRCM问题等价为ORRCM-E问题，“E”表示的是等价地，如下：

ORRCM-E:

变量:x≥1/T^max

定义移动用户i的函数H_i(x)的表达式如下：

为了有效解决ORRCM-E问题，引入一个新变量θ，通过使用变量θ，ORRCM-E问题转化为D1问题如下：

D1:min θ

变量:θ

求解D1问题的思路是：设定θ的上限是一个足够大的数，设定θ的下限是0，通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保D1问题可行，D1问题可行是指：在给定θ值条件下，D1问题中约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合为一个非空集合；否则，D1问题为不可行，即在给定θ值条件下约束条件(2-4)，(2-5)和(2-6)所产生有关于变量x的可行解集合是一个空集；

为了判断在给定θ值条件下D1问题是否可行，考虑如下D2问题：

D2:

变量:x

如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的；否则，D1问题将是不可行的；

接着，定义函数G(x)如下：

因此，得到函数G(x)的一阶导数如下：

从表达式(2-10)中观察得出是关于变量x的单调递增函数，所以通过求解的零点来求解G(x)的最小值；

首先，根据的单调递增性，利用对分搜索求解的零点记为x^zero，使得满足

接着，根据条件(2-3)和(2-7)，得到关于变量x的表达式如下：

对(2-11)关于x求一阶导数，得到：

在这里，引入一个变量接着，分析整理表达式(2-11)和(2-12)在不同的条件下，有以下三种情况：

i)如果且那么不存在满足条件的可行解；

ii)如果且那么存在解满足

iii)如果由于是单调递减的且那么存在满足进一步由于Q_i(0)＝0，Q_i(x)在区间先增后减，所以存在解满足

(3)求解D1问题的算法ORRCM-Algorithm，在D1问题中，设定θ的上限是一个足够大的数，设定θ的下限是0，通过对θ进行对分搜索来找到最小的θ值，该θ值要同时确保D1问题可行；通过求解D2问题，判断在给定θ值条件下D1问题是否可行：其中，如果D2问题的最优值输出V_θ≤0，则表示D1问题是可行的，那通过对分方式减小当前θ值；否则，D1问题将是不可行的，那通过对分方式增加当前θ值；通过对分搜索不断更新当前θ值，直到V_θ以设定的计算精度足够接近于0，算法最后输出的最优θ值，即确保D1问题可行的最小的θ值，它代表了ORRCM问题的整体资源消耗的最小值，求解D1问题算法的ORRCM-Algorithm的步骤如下：

步骤3.1：输入计算精度∈_ORRCM＝10^-4，设定参数θ^uppbound＝10⁴，θ^lowbound＝0；

步骤3.2：开始循环|θ^uppbound-θ^lowbound|∈_ORRCM；

步骤3.3：设定

步骤3.4：利用对分搜索求解的零点x^zero；

步骤3.5：根据对函数Q_i(x)和的分析分别利用对分搜索，可以解出

步骤3.6：设定

步骤3.7：如果x^zerox^min，设定x^*,temp＝x^min，转至执行步骤3.10；

步骤3.8：否则如果x^zero≤x^max，设定x^*,temp＝x^zero,转至执行步骤3.10；

步骤3.9：否则，x^zerox^max，设定x^*,temp＝x^max，转至执行步骤3.10；

步骤3.10：设定

步骤3.11：如果V_θ^*,temp≤0,设定θ^uppbound＝θ^cur，同时设定x^*＝x^*,temp，转至并执行步骤3.2；否则，设定θ^lowbound＝θ^cur，同时设定x^*＝x^*,temp，转至并执行步骤3.2；

步骤3.12：当|θ^uppbound-θ^lowbound|≤∈_ORRCM时，结束循环；

步骤3.13：输出θ^*＝θ^cur以及x^*；

最后，算法ORRCM-Algorithm输出的θ^*代表ORRCM问题所求的最小整体无线资源消耗，ORRCM问题中待求的最优上行传输时间t^*表示为