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異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)下面向混合能源供應(yīng)的動(dòng)態(tài)資源分配及能源管理算法

陳前斌 譚頎 魏延南 賀蘭欽 唐倫

陳前斌, 譚頎, 魏延南, 賀蘭欽, 唐倫. 異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)下面向混合能源供應(yīng)的動(dòng)態(tài)資源分配及能源管理算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(6): 1428-1435. doi: 10.11999/JEIT190499
引用本文: 陳前斌, 譚頎, 魏延南, 賀蘭欽, 唐倫. 異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)下面向混合能源供應(yīng)的動(dòng)態(tài)資源分配及能源管理算法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(6): 1428-1435. doi: 10.11999/JEIT190499
Qianbin CHEN, Qi TAN, Yannan WEI, Lanqin HE, Lun TANG. Dynamic Resource Allocation and Energy Management Algorithm for Hybrid Energy Supply in Heterogeneous Cloud Radio Access Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(6): 1428-1435. doi: 10.11999/JEIT190499
Citation: Qianbin CHEN, Qi TAN, Yannan WEI, Lanqin HE, Lun TANG. Dynamic Resource Allocation and Energy Management Algorithm for Hybrid Energy Supply in Heterogeneous Cloud Radio Access Networks[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(6): 1428-1435. doi: 10.11999/JEIT190499

異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)架構(gòu)下面向混合能源供應(yīng)的動(dòng)態(tài)資源分配及能源管理算法

doi: 10.11999/JEIT190499 cstr: 32379.14.JEIT190499
基金項(xiàng)目: 國(guó)家自然科學(xué)基金(6157073),重慶市教委科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(KJZD-M201800601)
詳細(xì)信息
    作者簡(jiǎn)介:

    陳前斌:男,1967年生,教授,博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)閭€(gè)人通信、多媒體信息處理與傳輸、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)等

    譚頎:女,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)切片、資源分配、隨機(jī)優(yōu)化理論

    魏延南:男,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)切片、虛擬資源分配、隨機(jī)優(yōu)化理論

    賀蘭欽:男,1995年生,碩士生,研究方向?yàn)?G網(wǎng)絡(luò)切片,機(jī)器學(xué)習(xí)算法

    唐倫:男,1973年生,教授,博士,研究方向?yàn)橄乱淮鸁o(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)、異構(gòu)蜂窩網(wǎng)絡(luò)、軟件定義無(wú)線網(wǎng)絡(luò)等

    通訊作者:

    陳前斌 cqb@cqupt.edu.cn

  • 中圖分類(lèi)號(hào): TN929.5

Dynamic Resource Allocation and Energy Management Algorithm for Hybrid Energy Supply in Heterogeneous Cloud Radio Access Networks

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61571073), The Science and Technology Research Program of Chongqing Municipal Education Commission (KJZD-M201800601)
  • 摘要:

    針對(duì)面向混合能源供應(yīng)的 5G 異構(gòu)云無(wú)線接入網(wǎng)(H-CRANs)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下的動(dòng)態(tài)資源分配和能源管理問(wèn)題,該文提出一種基于深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)的動(dòng)態(tài)網(wǎng)絡(luò)資源分配及能源管理算法。首先,由于可再生能源到達(dá)的波動(dòng)性及用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)到達(dá)的隨機(jī)性,同時(shí)考慮到系統(tǒng)的穩(wěn)定性、能源的可持續(xù)性以及用戶的服務(wù)質(zhì)量(QoS)需求,將H-CRANs網(wǎng)絡(luò)下的資源分配以及能源管理問(wèn)題建立為一個(gè)以最大化服務(wù)提供商平均凈收益為目標(biāo)的受限無(wú)窮時(shí)間馬爾科夫決策過(guò)程(CMDP)。然后,使用拉格朗日乘子法將所提CMDP問(wèn)題轉(zhuǎn)換為一個(gè)非受限的馬爾科夫決策過(guò)程(MDP)問(wèn)題。最后,因?yàn)樾袨榭臻g與狀態(tài)空間都是連續(xù)值集合,因此該文利用深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)解決上述MDP問(wèn)題。仿真結(jié)果表明,該文所提算法可有效保證用戶QoS及能量可持續(xù)性的同時(shí),提升了服務(wù)提供商的平均凈收益,降低了能耗。

  • 圖  1  混合能源供能的RRHs和電能供能的MBS下行傳輸場(chǎng)景

    圖  2  不同評(píng)判家學(xué)習(xí)速率下的平均凈收益

    圖  3  每30 min更新1次價(jià)格得到的系統(tǒng)凈收益

    圖  4  不同量化級(jí)數(shù)下的平均網(wǎng)絡(luò)凈收益對(duì)比

    圖  5  不同算法下的平均凈收益對(duì)比

    圖  6  不同用戶數(shù)下的系統(tǒng)和速率

    圖  7  不同用戶數(shù)下系統(tǒng)購(gòu)買(mǎi)的電能

    圖  8  一天內(nèi)的平均能效與可再生能源到達(dá)

    表  1  算法流程表

     算法1:基于DDPG算法的資源分配與能源管理算法
     (1)初始化
       隨機(jī)初始化參數(shù)${\theta ^Q}$和${\theta ^\mu }$;初始化目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)參數(shù):${\theta ^{Q'}} \leftarrow {\theta ^Q}$,${\theta ^{\mu '}} \leftarrow {\theta ^\mu }$;初始化拉格朗日乘子${\xi _u} \ge 0,\forall u \in { {{U} }_{\rm{RRH} } },{\upsilon _u} \ge 0,$
       $\forall u \in { {{U} }_{\rm{MBS} } } $;初始化經(jīng)驗(yàn)回放池D
     (2)學(xué)習(xí)階段
     For episode=1 to M do
       初始化一個(gè)隨機(jī)過(guò)程作為行為噪聲${{N}}$,并觀察初始狀態(tài)${x_0}$
       For t=1 to T do
         根據(jù)${a_t} = \mu ({x_t}|\theta _t^\mu ) + {{N}}$選擇一個(gè)行為
         if 約束C3-C13滿足:
           執(zhí)行行動(dòng)${a_t}$,并得到回報(bào)值${r_{{t}}}$與下一狀態(tài)${x_{t + 1}}$
           將狀態(tài)轉(zhuǎn)換組$ < {x_t},{a_t},{r_t},{x_{t + 1}} > $存入經(jīng)驗(yàn)回放池D
           從經(jīng)驗(yàn)回放池D中隨機(jī)采樣${N_{\rm{D}}}$個(gè)樣本,每個(gè)樣本用i表示
         (a) 更新評(píng)判家網(wǎng)絡(luò)
         從行動(dòng)者目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)得到$\mu '({x_{i + 1}}|{\theta ^{\mu '}})$
         從評(píng)判家目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)中得到$Q({s_{i + 1}},\mu '({x_{i + 1}}|{\theta ^{\mu '}})|{\theta ^{Q'}})$
         根據(jù)式(20)得到${y_i}$,從評(píng)判家網(wǎng)絡(luò)得到$Q({x_i},{a_i}|{\theta ^Q})$
         根據(jù)式(21)計(jì)算損失函數(shù),并根據(jù)式(19)更新評(píng)判家網(wǎng)絡(luò)參數(shù)${\theta ^Q}$
         (b) 更新行動(dòng)者網(wǎng)絡(luò)
         從評(píng)判家網(wǎng)絡(luò)得到$Q({x_i},{a_i}|{\theta ^Q})$,并根據(jù)式(22)計(jì)算策略梯度
         根據(jù)策略梯度更新行動(dòng)者網(wǎng)絡(luò)參數(shù)${\theta ^\mu }$
         (c) 更新行動(dòng)者目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和評(píng)判家目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)
         根據(jù)式(23)更新行動(dòng)者目標(biāo)網(wǎng)絡(luò)和評(píng)判家網(wǎng)絡(luò)參數(shù)
         (d)基于標(biāo)準(zhǔn)次梯度法[15]更新拉格朗日乘子
                 ${\xi _{u,t + 1} } \leftarrow {\left[ { {\xi _{u,t} } - {\alpha _\xi }({Q_{ {\max} } } - { {\bar Q}_u})} \right]^ + },\forall u \in { {{U} }_{ {\rm{RRH} } } }\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(24)$
                 ${\nu _{u,t + 1} } \leftarrow {\left[ { {\nu _{u,t} } - {\alpha _\nu }({Q_{ {\max} } } - { {\bar Q}_u})} \right]^ + },\forall u \in { {{U} }_{ {\rm{MBS} } } }\;\;\;\;\;\;\;\;\;\;(25)$
       End for
     End for
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  仿真參數(shù)

    仿真參數(shù)仿真參數(shù)
    RRH最大發(fā)射功率3 W數(shù)據(jù)包大小$L$4 kbit/packet
    MBS最大發(fā)射功率10 WMUEs路徑損耗模型31.5+35lg(d) (d[km])
    熱噪聲功率譜密度–102 dBm/HzRUEs路徑損耗模型31.5+40lg(d) (d[km])
    子載波個(gè)數(shù)$N$12折扣因子$\gamma $0.99
    單個(gè)資源塊帶寬180 kHz${r_{{{{\varGamma}} _1}}}$4 Mbps
    軟更新因子$\varsigma $0.01${r_{{{{\varGamma}} _2}}}$4.5 Mbps
    時(shí)隙長(zhǎng)度$\tau $10 ms${r_{{\rm{MBS}}}}$512 kbps
    下載: 導(dǎo)出CSV
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-07-04
  • 修回日期:  2020-01-29
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2020-02-20
  • 刊出日期:  2020-06-22

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