一种降低宽带接入网功耗的资源优化方法

摘要

本发明公开了一种降低宽带接入网功耗的资源优化方法，它包括以下步骤：构建一个能量有效动态频谱管理模型，并向其引入用于抑制性能较优的用户贪婪加载比特数的约束因子得到优化模型，然后利用对偶理论并引入拉格朗日变量，得到优化模型的拉格朗日对偶模型，再通过构建用于量化不同用户的比特数加载之间的补偿关系的代价表获取约束因子，最后根据约束因子获得速率满足下限约束条件下的最小化的总信号功率，优点在于仅需利用目标数据传输速率和线路性能优劣选取适当的约束因子，而无需参与迭代过程，因此大大降低了运算的复杂度，同时本发明方法与能量有效性频谱平衡算法的功率消耗十分相近，满足了绿色通信节能减排目标，且具有很好的可实现性。

主权项

1.一种降低宽带接入网功耗的资源优化方法，其特征在于包括以下步骤：①假定多用户DSL系统拥有包含有U对双绞线的单电缆包和K个相互独立的子载波，将多用户DSL系统中的第k个子载波的输入输出模型表示为：Y_k＝H_kX_k+Z_k，其中，U为大于等于2的正整数，K为大于1的正整数，表示U个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号矢量，为的转置矩阵，表示第1个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号，表示第2个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号，表示第U个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号，H_k为包含信道衰落参数和串音信道参数的U×U阶矩阵，Z_k表示多用户DSL系统中的第k个子载波上的噪声矢量，Y_k表示多用户DSL系统中的第k个子载波上接收到的信号矢量；②根据高斯信道的容量公式，当多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率矢量为时，计算第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上能够加载的最大比特数，记为(bit/符号)，其中，表示第1个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率，表示第2个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率，表示第U个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率，1≤u≤U，Γ表示信噪比差值，其用于衡量香农信道容量和信道实际传输能力之间的差距，表示第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率，表示第j个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的信号功率，1≤j≤U，表示第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上的脉冲响应，表示第j个用户对第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上引起的串音，“||”表示取模运算符号，表示第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的噪声功率；③在多用户DSL系统中构建一个能量有效动态频谱管理模型，将其表示为：$\begin{array}{c}\underset{s_k^u}{\min }\underset{u}{\Sigma }{\omega }_u\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u\\ s.t\underset{k}{\Sigma }{b}_k^u\ge R^u,\forall u\in U\\ \log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })\ge b_k^u,\forall u\in U,\forall k\in K\\ b_k^u\in B_k^u,\forall u\in U,\forall k\in K\end{array},$然后遍历选取ω_u的值获取多用户DSL系统的信号功率域，其中，ω_u表示针对信号功率的加权因子，ω_u＞0，R^u表示第u个用户的数据传输速率，表示第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上的增益，表示第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上能够加载的比特数的集合，b_max＞0，min( )为取最小值函数；④针对能量有效动态频谱管理模型，向其引入一个用于抑制线路性能较优的用户贪婪加载比特数的约束因子同时令ω_u＝1，获得能量有效动态频谱管理模型的优化模型，将其表示为：$\begin{array}{c}\underset{s_k^u}{\min }\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u\\ s.t.\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\times b_k^u\ge R^{u,t\arg \mathrm{et}},\forall u\in U,\forall k\in K\\ \log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })\ge b_k^u,\forall u\in U,\\ b_k^u\in B_k^u,\forall u\in U,\forall k\in K\end{array},$其中，表示用于抑制线路性能较优的第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上贪婪加载比特数的约束因子，R^{u，t arg et}表示第u个用户要达到的目标数据传输速率；⑤结合第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上能够加载的最大比特数(bit/符号)和第u个用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上的增益$g_k^u=\frac{G_k^{u,u}}{\underset{j\ne u}{\Sigma }{G}_k^{u,j}{s}_k^j+{\sigma }_k^u},$得到$b_k^u=\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma });$⑥利用对偶理论，向能量有效动态频谱管理模型的优化模型中关于速率的不等式约束条件$\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\times b_k^u\ge R^{u,t\arg \mathrm{et}},$$\forall u\in U,$$\forall k\in K$中引入拉格朗日变量，得到${\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}}),$然后将${\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})$作为目标函数的一部分构建拉格朗日函数，记为$L(s_k^u,{\lambda }_u)=\underset{u}{\Sigma }\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-\underset{u}{\Sigma }{\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}}),$其中，λ_u表示针对第u个用户引入的拉格朗日变量；⑦以为优化变量计算的最小化函数，记为g(λ_u)，再以λ_u为优化变量对g(λ_u)进行最大化处理，得到能量有效动态频谱管理模型的优化模型的拉格朗日对偶模型，将其表示为：$\underset{{\lambda }_u\ge 0}{\max }\left\{\underset{s_k^u}{\min }\right[\underset{u}{\Sigma }\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-\underset{u}{\Sigma }{\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})\left]\right\},$其中，max( )为取最大值函数；然后将拉格朗日对偶模型按用户数分解成U个子模型，将分解得到的子模型表示为：$\underset{{\lambda }_u\ge 0}{\max }\left\{\underset{s_k^u\ge 0}{\min }\right[\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-{\lambda }_u\underset{k}{\Sigma }(\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})\left]\right\},$$\forall u\in U;$再根据KKT条件中的互补条件，由分解得到的子模型得到${\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\times b_k^u-R^{u,t\arg \mathrm{et}})=0,$$\forall u\in U$和${▿}_{s_k^u}\left\{\right[\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-{\lambda }_u\underset{k}{\Sigma }(\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})\left]\right\}=0,$其中，表示将$\left\{\right[\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-{\lambda }_u\underset{k}{\Sigma }(\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})\left]\right\}$对求微分；最后根据${\lambda }_u(\underset{k}{\Sigma }\frac{1}{{\alpha }_k^u}\times b_k^u-R^{u,t\arg \mathrm{et}})=0,$$\forall u\in U$和${▿}_{s_k^u}\left\{\right[\underset{k}{\Sigma }{s}_k^u-{\lambda }_u\underset{k}{\Sigma }(\frac{1}{{\alpha }_k^u}\log (1+\frac{g_k^u{s}_k^u}{\Gamma })-R^{u,t\arg \mathrm{et}})\left]\right\}=0,$得到$s_k^u={[\frac{{\lambda }_u}{{\alpha }_k^u}-\frac{\Gamma }{g_k^u}]}_0^{+},$表示如果$\frac{{\lambda }_u}{{\alpha }_k^u}-\frac{\Gamma }{g_k^u}>0,$则的值取如果$\frac{{\lambda }_u}{{\alpha }_k^u}-\frac{\Gamma }{g_k^u}\le 0,$则的值取0；⑧根据线路性能的优劣将U个用户分成线路性能较差的一组用户和线路性能较优的一组用户；⑨构建一个用于量化不同线路性能的用户的比特数加载之间的补偿关系的代价表，记为$\forall k\in K,$$C_k(S_k^{U1},S_k^{U2})=b_k^{U1}(S_k^{U1},0)-b_k^{U1}(S_k^{U1},S_k^{U2}),$其中，U1表示线路性能较差的一组用户，U2表示线路性能较优的一组用户，U1+U2＝U，表示仅U1在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输信号时应加载的总比特数，表示U1和U2同时在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输信号时U1减少的加载比特数，表示U1中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的总信号功率，表示U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的总信号功率；⑩将多用户DSL系统中的K个相互独立的子载波分成M个子频段，任一个子频段内的所有子载波的信道参数近似相等，然后根据代价表构建一个约束因子求解模型，将其表示为：$\begin{array}{c}\underset{S_k^{U2}}{\min }\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{C}_m(S_m^{U1},S_m^{U2})\\ s.t.\underset{m=1}{\overset{M}{\Sigma }}{R}_m^{U2}(S_m^{U1},S_m^{U2})\ge R^{U2,t\arg \mathrm{et}}\\ \underset{k=1}{\overset{K}{\Sigma }}{S}_k^{U2}\le P^{\max }\\ S_k^{U2}={[\frac{{\lambda }_{U2}}{{\alpha }_k^{U2}}-\frac{\Gamma }{g_k^{U2}}]}_0^{+},\forall k\in K,\forall m\in M\end{array},$再通过计算约束因子求解模型获得用于抑制线路性能较优的U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上贪婪加载比特数的约束因子其中，表示U1中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上传输的总信号功率，表示U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上传输的总信号功率，表示U1中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上传输的总信号功率为且U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上传输的总信号功率为时U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上的数据传输速率，R^{U2，t arg et}表示U2中的所有用户要达到的目标数据传输速率，P^max表示U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第m个子频段上传输的总信号功率的最大值，λ_U2表示针对U2中的所有用户引入的拉格朗日变量，表示U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上的总增益；结合能量有效动态频谱管理模型的优化模型和用于抑制线路性能较优的U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上贪婪加载比特数的约束因子得到U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的满足速率下限约束条件的最小化的总信号功率；根据线路性能的优劣将U2中的所有用户分成线路性能较差的一组用户和线路性能较优的一组用户，然后返回步骤⑨继续执行，迭代得到U2中的所有用户在多用户DSL系统中的第k个子载波上传输的满足速率下限约束条件的最小化的总信号功率，直至U2中仅有一个用户时停止迭代。