一种智能电网中中继辅助多通道URLLC系统的联合功率和信道分配方法与流程

一种智能电网中中继辅助多通道urllc系统的联合功率和信道分配方法
技术领域
1.本发明涉及无线通信资源分配技术领域，特别是涉及一种智能电网系统中中继辅助多通道urllc系统的联合功率和信道分配方法。


背景技术：

2.为了可再生能源和分布式能源可靠地接入电网，发展智能电网已在世界范围内形成共识。作为物联网的重要应用，智能电网的目标是建成一个完全自动化的电力传输网络，能够监视和控制每个用户和电网节点，保证从电厂到终端用户整个输配电过程中所有节点之间的信息和电能的双向流动。电力通信网作为支撑智能电网发展的重要基础设施，保证了各种电力服务的安全性、实时性、准确性和可靠性要求。智能电网系统中智能分布式自动化和电力负载需求侧响应服务都需要较高的时延和可靠性要求，而超可靠低延迟通信(urllc)技术使其成为可能。
3.第三代合作伙伴计划(3gpp)提出，urllc要求最小化延迟到1ms，同时确保错误率不高于10-9，可以应用于实现关键任务，如增强的车联网(ev2xc)、电子健康、触觉互联网、智能电网自动化和机器类型通信(mtc)。为了达到urllc如此严格的服务质量要求，在传输中使用的块的长度应该是有限的，而不是无限的。有关研究提出了短包传输的信道可达率，它是一个关于信噪比(snr)、解码错误概率和块长度的复杂函数。目前国家电网联合其他企业及高校提出了智能电网的典型任务场景及指标要求，其中控制类urllc服务的资源分配问题有待进一步研究。
4.在智能电网关键任务信息传输过程中，发射端与接收端之间常常有障碍物阻挡，如源基站与用电用户间的楼房、树木等，导致较大的信道衰落，从而增大了实现urllc服务质量要求的难度。研究表明，中继辅助传输方案是一种有效的urllc服务策略。在智能电网关键任务通信传输中，采用中继方案辅助urllc服务仍需深入研究。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明的目的在于提供一种智能电网中中继辅助多通道urllc系统的联合功率和信道分配方法，用以实现智能电网中urllc服务的要求，并且进一步提升用户的速率。
6.为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
7.一种智能电网中中继辅助多通道urllc系统的联合功率和信道分配方法，所述方法包括如下步骤：
8.步骤s1、构建关于智能电网中的用电用户、源基站以及中继基站的中继辅助urllc服务系统模型；
9.步骤s2、基于步骤s1中得到的中继辅助urllc服务系统模型，在给定时延和错误概率要求的前提下，源基站和中继基站分别计算各自的预功率和信道分配矢量；
10.步骤s3、根据当前的功率和信道分配矢量，以用电用户的最小速率为优化目标，获取最优的功率和信道分配矢量，并且判断是否满足迭代完成的条件；
11.步骤s4、若满足步骤s3中的迭代条件，则获得最优的功率和信道分配矢量。
12.进一步的，所述步骤s1具体包括：
13.设系统有u个子信道，源基站链路和中继基站链路使用同一传输频带。在第u，个子信道，源基站将电力控制信号x
u,0
∈c转发给中继基站，中继基站发射信号x
u,m
∈c,m∈m给第m个urllc用户。则信号模型表示为：
14.源基站、中继基站和m个用户均为单天线。由于有障碍物遮挡，忽略源基站对同频点用户的干扰。中继基站的接收信号y
u,0
为：
15.y
u,0
＝h
u,0
p
u,0
x
u,0
z
u,0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
16.在公式(1)中，x
u,0
∈c表示第u个子信道上源基站到中继基站的发射信号，h
u,0
表示第u个子信道上源基站到中继基站平坦衰落信道的信道功率增益，p
u,0
为第u个子信道上源基站的发射功率，z
u,0
为第u个子信道上在中继基站处的加性高斯白噪声；
17.相应的，用户m的接收信号y
u,m
表示为：
[0018][0019]
在公式(2)中，h
u,m
表示中继基站到用户m平坦衰落信道的信道功率增益，p
u,m
为中继基站分配给用户m的发射功率，τ
u,nhu,m
p
u,n
x
u,n
为m个用户中第n个用户对第m个用户的同频干扰信号，z
u,m
为用户m处的加性高斯白噪声，均值为0，方差为
[0020]
进一步的，所述步骤s2具体包括：
[0021]
步骤s201、根据步骤s1中得到的中继辅助urllc服务系统模型，得到有限块长度下第u个子信道中继基站和用户m的可达速率，其表示为：
[0022][0023]
在公式(3)中，q-1
(
·
)表示高斯函数的倒数，即l为符号长度，ξ表示译码错误率，vm＝1-(1 γm)-2
,m＝0,1,
…
,m在标准信噪比下被称为通道色散，标准信噪比γm表示为：其中，噪声方差为τ
u,m
＝{0,1}为子信道分配变量，即τ
u,m
＝1表示第u个子信道分配给了第m个用户,τ
u,m
＝0表示第u个子信道未分配给第m个用户。p
u,0
为源基站的发射功率，h
u,0
表示源基站到中继基站的信道功率增益，p
u,m
为中继基站分配给用户m的发射功率，h
u,m
表示中继基站到用户m平坦衰落信道的信道功率增益，τ
u,n
p
u,n
|h
u,m
|2为m个用户中第n个用户对第m个用户的同频干扰；
[0024]
步骤s202、以所有用电用户的最小速率为优化目标，建立第一优化问题，其表示为：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030][0031][0032]
在公式(4)中，r0表示每个用电用户的最小信息速率要求，代表源基站的最大容量限制，即所有用电用户的总速率不能超过源基站到中继基站的容量，p0和p
t
分别表示源基站和中继基站的最大发射功率限制，表示一个用户只能被分配一个子信道，τ
u,0
为源基站到中继的信道分配变量，τ
u,m
为中继到用户m的信道分配变量；
[0033]
步骤s203、由于第一优化问题是非凸的，因此，通过转变公式(3)，将该第一优化问题转化为非凸的第二优化问题，然后再将非凸的第二优化问题分解成两个子问题，即第三优化问题和第四优化问题；
[0034]
步骤s204、将该第三优化问题分解为第五优化问题和第六优化问题，其中，该第五优化问题为线性问题；通过转变r
u,m
(v
u,m
)，将第六优化问题转化为第七优化问题，该第七优化问题为凸问题。基于拉格朗日乘子法，将该第四优化问题转化为第八优化问题。
[0035]
进一步的，所述步骤s203具体包括：
[0036]
步骤s2031、常系数a定义为将可达率公式(3)简化成
[0037][0038]
利用式vm＝1-(1 γm)-2
,m＝0,1,
…
,m，得到式(6)
[0039][0040]
将其代入(4)得到第二优化问题：
[0041]
[0042][0043][0044][0045][0046][0047][0048]vu,m
＝1-(1 γ
u,m
)-2
,m＝0,1,
…
,m
[0049][0050]
步骤s2032、观察该第二优化问题，其依然是非凸的，并且十分复杂，为了简化问题，则将第二优化问题分解成两个子问题，记为第三优化问题和第四优化问题，第三优化问题为功率分配子问题，其具体表达式为：
[0051][0052][0053][0054][0055][0056][0057][0058]
引入辅助变量第四优化问题为信道分配子问题，其具体表达式为：
[0059][0060][0061][0062][0063][0064][0065][0066][0067]
进一步的，所述步骤s204具体包括：
[0068]
步骤s2041、将第三优化问题(8)分解为第五优化问题和第六优化问题，第五优化问题为：
[0069][0070]
第五优化问题为线性问题。
[0071]
第六优化问题具体表达式为：
[0072][0073]
步骤s2042、观察该第二优化问题，其依然是非凸的，为了转化为凸问题，要找到非
凹函数的近似下界，利用式(12)：
[0074][0075]
将第六优化问题转化为第七优化问题：
[0076][0077][0078][0079][0080][0081]
该第七优化问题为凸问题。
[0082]
步骤s2043、观察第四优化问题，放松其功率约束条件最优解不变，因此第四优化问题等价于
[0083][0084][0085][0086][0087][0088]
该问题为混合整数问题，为了将变量连续化，松弛为得到：
[0089][0090][0091][0092]
[0093][0094]
基于拉格朗日乘子法，定义拉格朗日函数：
[0095][0096]
得到第八优化问题：
[0097][0098]
其中是(16)的最小上界。
[0099]
进一步的，所述步骤s3具体包括：
[0100]
步骤s301、解第三优化问题(8)：
[0101]
在第j次迭代期间，根据步骤s2041获得的可行点p
*
，带入步骤s2042的优化问题(13)，在第r次迭代期间，重新计算通过内点法解决优化问题(13)，并获得最优解vj＝v
*
，最终获得最优解pj,vj。
[0102]
步骤s302、解第四优化问题(17)：
[0103]
在第r次迭代期间，
[0104]
计算
[0105]
重新计算
[0106]
重新计算其中其中
[0107]
重新计算
[0108]
其中最终获得最优解τk。
[0109]
步骤s303、解第二优化问题(7)：
[0110]
在第k次迭代期间，解第三优化问题(8)，vk＝v
*
pk＝p*，并带入(17)，再解第四优化问题(17)，获得最优解τk。
[0111]
本发明的有益效果是：
[0112]
1、本发明提供的方法，使得源基站到用电用户控制信号的传输绕过障碍物，从而满足超低时延高可靠性的服务质量要求。
[0113]
2、本发明提供的方法能有效实现智能电网中用户的带宽和信道资源配置，提高带宽利用率，提升用户速率性能。
附图说明
[0114]
图1为实施例1中提供的一种智能电网系统中中继辅助多通道urllc服务联合功率和信道分配方法的使用场景示意图；
[0115]
图2为实施例1中提供的一种智能电网系统中中继辅助多通道urllc服务联合功率和信道分配方法的流程示意图。
具体实施方式
[0116]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0117]
实施例1
[0118]
参见图1和图2，本实施例中提供一种智能电网系统中中继辅助urllc服务联合功率和信道分配方法，具体包括如下的步骤：
[0119]
步骤s1、构建关于智能电网中的用电用户、源基站以及中继基站的中继辅助urllc服务系统模型；
[0120]
具体的说，该步骤s1包括：
[0121]
设系统有u个子信道，源基站链路和中继基站链路使用同一传输频带。在第u，个子信道，源基站将电力控制信号x
u,0
∈c转发给中继基站，中继基站发射信号x
u,m
∈c,m∈m给第m个urllc用户。则信号模型表示为：
[0122]
源基站、中继基站和m个用户均为单天线。由于有障碍物遮挡，忽略源基站对同频点用户的干扰。中继基站的接收信号y
u,0
为：
[0123]yu,0
＝h
u,0
p
u,0
x
u,0
z
u,0
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(1)
[0124]
在公式(1)中，x
u,0
∈c表示第u个子信道上源基站到中继基站的发射信号，h
u,0
表示第u个子信道上源基站到中继基站平坦衰落信道的信道功率增益，p
u,0
为第u个子信道上源基站的发射功率，z
u,0
为第u个子信道上在中继基站处的加性高斯白噪声；
[0125]
相应的，用户m的接收信号y
u,m
表示为：
[0126][0127]
在公式(2)中，h
u,m
表示中继基站到用户m平坦衰落信道的信道功率增益，p
u,m
为中继基站分配给用户m的发射功率，τ
u,nhu,m
p
u,n
x
u,n
为m个用户中第n个用户对第m个用户的同频干扰信号，z
u,m
为用户m处的加性高斯白噪声，均值为0，方差为
[0128]
步骤s2、针对给定的时延和错误概率要求，源基站和中继基站分别计算各自的预功率和信道分配矢量；
[0129]
具体的说，在本实施例中，所述步骤s2具体包括：
[0130]
步骤s201、根据步骤s1中得到的中继辅助urllc服务系统模型，得到有限块长度下第u个子信道中继基站和用户m的可达速率，其表示为：
[0131][0132]
在公式(3)中，q-1
(
·
)表示高斯函数的倒数，即l为符号长度，ξ表示译码错误率，vm＝1-(1 γm)-2
,m＝0,1,
…
,m在标准信噪比下被称为通道色散，标准信噪比γm表示为：其中，噪声方差为τ
u,m
＝{0,1}为子信道分配变量，即τ
u,m
＝1表示第u个子信道分配给了第m个用户,τ
u,m
＝0表示第u个子信道未分配给第m个用户。p
u,0
为源基站的发射功率，h
u,0
表示源基站到中继基站的信道功率增益，p
u,m
为中继基站分配给用户m的发射功率，h
u,m
表示中继基站到用户m平坦衰落信道的信道功率增益，τ
u,n
p
u,n
|h
u,m
|2为m个用户中第n个用户对第m个用户的同频干扰；
[0133]
步骤s202、以所有用电用户的最小速率为优化目标，建立第一优化问题，其表示为：
[0134][0135][0136][0137][0138][0139][0140][0141]
在公式(4)中，r0表示每个用电用户的最小信息速率要求，代表源基站的最大容量限制，即所有用电用户的总速率不能超过源基站到中继基站的容
量，p0和p
t
分别表示源基站和中继基站的最大发射功率限制，表示一个用户只能被分配一个子信道，τ
u,0
为源基站到中继的信道分配变量，τ
u,m
为中继到用户m的信道分配变量；
[0142]
步骤s203、由于第一优化问题是非凸的，因此，通过转变公式(3)，将该第一优化问题转化为非凸的第二优化问题，然后再将非凸的第二优化问题分解成两个子问题，即第三优化问题和第四优化问题；
[0143]
步骤s204、将该第三优化问题分解为第五优化问题和第六优化问题，其中，该第五优化问题为线性问题；通过转变r
u,m
(v
u,m
)，将第六优化问题转化为第七优化问题，该第七优化问题为凸问题。基于拉格朗日乘子法，将该第四优化问题转化为第八优化问题。
[0144]
更具体的说，在本实施例中，所述步骤s203具体包括：
[0145]
步骤s2031、常系数a定义为将可达率公式(3)简化成
[0146][0147]
利用式vm＝1-(1 γm)-2
,m＝0,1,
…
,m，得到式(6)
[0148][0149]
将其代入(4)得到第二优化问题：
[0150][0151][0152][0153][0154][0155][0156][0157]vu,m
＝1-(1 γ
u,m
)-2
,m＝0,1,
…
,m
[0158][0159]
步骤s2032、观察该第二优化问题，其依然是非凸的，并且十分复杂，为了简化问题，则将第二优化问题分解成两个子问题，记为第三优化问题和第四优化问题，第三优化问
题为功率分配子问题，其具体表达式为：
[0160][0161][0162][0163][0164][0165][0166][0167]
引入辅助变量第四优化问题为信道分配子问题，其具体表达式为：
[0168][0169][0170][0171][0172][0173][0174][0175][0176]
具体的说，在本实施例中，所述步骤s204具体包括：
[0177]
步骤s2041、将第三优化问题(8)分解为第五优化问题和第六优化问题，第五优化问题为：
[0178][0179]
第五优化问题为线性问题。
[0180]
第六优化问题具体表达式为：
[0181][0182]
步骤s2042、观察该第二优化问题，其依然是非凸的，为了转化为凸问题，要找到非凹函数的近似下界，利用式(12)：
[0183][0184]
将第六优化问题转化为第七优化问题：
[0185][0186][0187][0188][0189][0190]
该第七优化问题为凸问题。
[0191]
步骤s2043、观察第四优化问题，放松其功率约束条件最优解不变，因此第四优化
问题等价于
[0192][0193][0194][0195][0196][0197]
该问题为混合整数问题，为了将变量连续化，松弛为得到：
[0198][0199][0200][0201][0202][0203]
基于拉格朗日乘子法，定义拉格朗日函数：
[0204][0205]
得到第八优化问题：
[0206][0207][0208]
其中是(16)的最小上界。
[0209]
步骤s3、根据当前的功率和信道分配矢量，以用电用户的最小速率为优化目标，获取最优的功率和信道分配矢量，并且判断是否满足迭代完成的条件；
[0210]
具体的说，在本实施例中，所述步骤s3具体包括：
[0211]
步骤s301、解第三优化问题(8)：
[0212]
在第j次迭代期间，根据步骤s2041获得的可行点p
*
，带入步骤s2042的优化问题
(13)，在第r次迭代期间，重新计算通过内点法解决优化问题(13)，并获得最优解vj＝v
*
，最终获得最优解pj,vj。
[0213]
步骤s302、解第四优化问题(17)：
[0214]
在第r次迭代期间，
[0215]
计算
[0216]
重新计算
[0217]
重新计算其中其中
[0218]
重新计算
[0219]
其中最终获得最优解τk。
[0220]
步骤s303、解第二优化问题(7)：
[0221]
在第k次迭代期间，解第三优化问题(8)，vk＝v
*
pk＝p
*
，并带入(17)，再解第四优化问题(17)，获得最优解τk。
[0222]
具体的说，在本实施例中，为了验证本实施所提方法的先进性和正确性，因此，进行了具体的实验，假设用户随机分布在半径为30m的圆心区域，系统带宽为10mhz，源基站高度为120m，中继基站高度为100m。此外，源基站最大发射功率设置为3db，中继基站最大发射功率为1db，传输时延为0.05msec，译码错误概率为10-9
。最后，将所提算法与其他基准算法进行比较，包括urllc用户与源基站直接相连接的方案(wr)以及中继辅助urllc服务平均分配子信道的方案(esc)。
[0223]
本发明未详述之处，均为本领域技术人员的公知技术。
[0224]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。