本發(fā)明涉及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種針對混合能量供電分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法。

背景技術(shù)：

分布式天線系統(tǒng)(distributedantennasystems,das)由于天線單元rau(remoteaccessunits,rau)分散的布置在小區(qū)的不同位置，可以縮短天線到用戶之間的距離，增加宏分集增益，有效的抗衰落、抗路徑損耗。相比集中的mimo技術(shù)，可以降低天線的發(fā)送功率。但隨著rau與發(fā)送天線數(shù)目的增加，巨大的能量消耗與有限的電力供應(yīng)是亟需解決的問題之一，因此研究分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法很有意義。

能量采集(energy-harvesting,eh)是一門新興的熱門技術(shù)，如果將其應(yīng)用到das中，則可以充分地利用可再生能源，rau可以自主地采集能量，保證基本的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)傳輸。但是由于能量采集的隨機(jī)性和間歇性，當(dāng)傳輸數(shù)據(jù)較大時，很難為系統(tǒng)提供持續(xù)穩(wěn)定的服務(wù)。本發(fā)明研究了一種混合能量供應(yīng)的分布式天線系統(tǒng)傳輸模型。rau優(yōu)先使用采集的能量，將電網(wǎng)供電作為一種儲備的能量，即當(dāng)系統(tǒng)采集的能量不能滿足用戶的需求時，使用電網(wǎng)能量供電。將采集的能量與電網(wǎng)能量想結(jié)合，以混合供電的方式保證das的穩(wěn)定性并提供持續(xù)的qos保障。

分布式天線系統(tǒng)中的功率分配問題已有廣泛的研究，但在混合能量供應(yīng)的分布式天線系統(tǒng)中，rau如何更有效的利用采集的能量與電網(wǎng)能量研究比較少。而且，很多傳統(tǒng)的能量效率研究考慮的是當(dāng)系統(tǒng)用戶正交接入時的功率分配問題。也有較多的研究是通過串行干擾消除技術(shù)來消除用戶間的干擾，從而保證用戶之間不受到干擾，但是在實際通信系統(tǒng)中，很難完全消除用戶之間的干擾。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷的針對混合能量供電分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法。

技術(shù)方案：為達(dá)到此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

本發(fā)明所述的針對混合能量供電分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法，包括以下步驟：

s1：獲得系統(tǒng)用戶反饋的信道狀態(tài)信息以及天線單元采集的能量；

s2：建立混合能量供電分布式天線系統(tǒng)的功率消耗模型，并基于所述模型建立能量有效的功率分配優(yōu)化問題；

s3：通過dinkelbach方法將步驟s2建立的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等價的分式規(guī)劃問題；

s4：利用連續(xù)凸函數(shù)逼近方法，將步驟s3得到的分式規(guī)則問題轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的幾何規(guī)劃問題，并初始化系統(tǒng)發(fā)送功率與能量效率φ，設(shè)置功率分配方法的收斂精度ξ，設(shè)置初始迭代次數(shù)i＝0,j＝0；

s5：計算連續(xù)凸函數(shù)逼近因子以及轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃問題后的能效函數(shù)fi(φ)；

s6：根據(jù)步驟s4得到的幾何規(guī)劃問題，通過迭代方法求解最優(yōu)功率分配

s7：判斷功率分配方法的收斂精度是否小于收斂門限：如果小于，則進(jìn)行步驟s8；否則，則返回步驟s6；

s8：將最優(yōu)功率分配重新賦值給轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃問題后的能效函數(shù)，判定能效函數(shù)是否小于設(shè)定門限值：如果小于，則繼續(xù)進(jìn)行步驟s9；否則，則返回步驟s5；

s9：計算最優(yōu)能效函數(shù)對應(yīng)的功率分配。

進(jìn)一步，所述步驟s2中的功率消耗模型如式(1)所示：

式(1)中，ptot表示系統(tǒng)總的功率消耗，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，η表示功率放大器的效率，pdyn表示系統(tǒng)動態(tài)消耗的功率，psta表示系統(tǒng)靜態(tài)消耗的功率，pfir表示rau連接到中心處理器的光纖損耗，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率。

進(jìn)一步，所述步驟s2中的功率分配優(yōu)化問題如式(2)所示：

式(2)中，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率，表示天線單元m分配用戶k采集能量的功率，φ表示系統(tǒng)能量效率，rk表示第k個用戶的速率，表示天線單元m最大的發(fā)送功率，rmin表示滿足用戶qos保障的最小速率，ptot表示系統(tǒng)總的功率消耗，k表示用戶個數(shù)。

進(jìn)一步，所述步驟s3中的分式規(guī)劃問題的目標(biāo)函數(shù)f(φ)如式(3)所示：

式(3)中，φ表示系統(tǒng)能量效率，rk表示第k個用戶的速率，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，η表示功率放大器的效率，pdyn表示系統(tǒng)動態(tài)消耗的功率，psta表示系統(tǒng)靜態(tài)消耗的功率，pfir表示rau連接到中心處理器的光纖損耗，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率。

進(jìn)一步，所述步驟s4中的幾何規(guī)劃問題如式(4)所示：

式(4)中，pm,k表示天線單元m分配用戶k的總功率，pm,i表示天線單元m分配用戶i的總功率，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，hm,k表示天線單元m與用戶k之間的信道響應(yīng)，表示系統(tǒng)的加性高斯白噪聲，αm,k與βm,k均為連續(xù)凸函數(shù)逼近因子，表示天線單元m最大的發(fā)送功率，rmin表示滿足用戶qos保障的最小速率要求，表示天線單元m分配用戶k采集能量的功率。

進(jìn)一步，所述步驟s5中的連續(xù)凸函數(shù)逼近因子如式(5)所示：

式(5)中，表示天線單元m在第i-1次迭代中分配給用戶k的功率，hm,k表示天線單元m與用戶k之間的信道響應(yīng)，m表示天線單元總數(shù)，k表示用戶個數(shù)。

有益效果：本發(fā)明公開了一種針對混合能量供電分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法，考慮了用戶之間的干擾因素，不僅適用于傳統(tǒng)的分布式天線系統(tǒng)，同樣適用于混合供電分布式天線系統(tǒng)，能夠顯著提高分布式天線系統(tǒng)的能量效率。

附圖說明

圖1為本發(fā)明具體實施方式的天線系統(tǒng)的示意圖；

圖2為本發(fā)明具體實施方式的功率分配方法的流程圖；

圖3為本發(fā)明具體實施方式的rau功率消耗與迭代次數(shù)的關(guān)系曲線圖；

圖4為本發(fā)明具體實施方式中天線系統(tǒng)在不同功率分配方式下進(jìn)行功率分配的能量效率仿真圖；

圖5為本發(fā)明具體實施方式中天線系統(tǒng)在不同功率分配方式下的能量效率與rau采集能量的關(guān)系圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施方式對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的介紹。

本具體實施方式針對的混合能量供應(yīng)的單小區(qū)下行多用戶分布式天線系統(tǒng)如圖1所示，小區(qū)內(nèi)有k個用戶和m個rau，圖1中k＝m＝2。rau既接收電網(wǎng)供電，同時也能夠自主地采集可再生能源。系統(tǒng)優(yōu)先使用采集的能量承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，當(dāng)采集的能量不足時，用電網(wǎng)供電保證數(shù)據(jù)傳輸。假設(shè)rau和用戶均為單天線，所有rau通過光纖連接到中央處理單元(centerunit,cu)。假設(shè)發(fā)送端與接收端都已知信道狀態(tài)信息，rau以協(xié)作的方式發(fā)送數(shù)據(jù)流xk到用戶k，那么用戶k接收的信號yk可以表示為：

式(1)中，hk是所有rau到用戶k信道狀態(tài)矢量，zk是用戶k的加性白噪聲。那么用戶k的信干噪比γk可以表示為：

式(2)中，hm,k表示天線單元m與用戶k之間的信道響應(yīng)，表示系統(tǒng)的加性高斯白噪聲，pm,k為第m個天線單元到用戶k的發(fā)射功率，pm,k包括兩部分：一部分是電網(wǎng)能量另一部分為電網(wǎng)能量也即

rau優(yōu)先使用采集的能量，當(dāng)采集的能量匱乏時，發(fā)送端將采用電網(wǎng)供電保證數(shù)據(jù)傳輸。從而可以得到用戶k傳輸速率rk為：

rk＝log2(1+γk)(4)

式(4)中，γk表示用戶k的信干噪比。

假設(shè)第m個rau的最大發(fā)射功率為考慮到對于每個rau的發(fā)送功率不大于最大發(fā)射功率，那么就有功率受限約束如式(5)所示：

本具體實施方式公開了一種針對混合能量供電分布式天線系統(tǒng)能量有效的功率分配方法，如圖2所示，包括以下步驟：

s1：獲得系統(tǒng)用戶反饋的信道狀態(tài)信息以及天線單元采集的能量。

s2：建立混合能量供電分布式天線系統(tǒng)的功率消耗模型，如式(6)所示，并基于所述模型建立能量有效的功率分配優(yōu)化問題，如式(7)所示：

式(6)中，ptot表示系統(tǒng)總的功率消耗，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，η表示功率放大器的效率，pdyn表示系統(tǒng)動態(tài)消耗的功率，psta表示系統(tǒng)靜態(tài)消耗的功率，pfir表示rau連接到中心處理器的光纖損耗，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率。

式(7)中，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率，表示天線單元m分配用戶k采集能量的功率，φ表示系統(tǒng)能量效率，rk表示第k個用戶的速率，表示天線單元m最大的發(fā)送功率，rmin表示滿足用戶qos保障的最小速率，ptot表示系統(tǒng)總的功率消耗，k表示用戶個數(shù)。

s3：通過dinkelbach方法將步驟s2建立的優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為等價的分式規(guī)劃問題，如式(8)所示：

式(8)中，φ表示系統(tǒng)能量效率，rk表示第k個用戶的速率，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，η表示功率放大器的效率，pdyn表示系統(tǒng)動態(tài)消耗的功率，psta表示系統(tǒng)靜態(tài)消耗的功率，pfir表示rau連接到中心處理器的光纖損耗，表示天線單元m分配用戶k的電網(wǎng)功率。

s4：利用連續(xù)凸函數(shù)逼近方法，將步驟s3得到的分式規(guī)則問題轉(zhuǎn)化為對應(yīng)的幾何規(guī)劃問題，如式(9)所示，并初始化系統(tǒng)發(fā)送功率與能量效率φ，設(shè)置功率分配方法的收斂精度ξ，設(shè)置初始迭代次數(shù)i＝0,j＝0；

式(9)中，pm,k表示天線單元m分配用戶k的總功率，pm,i表示天線單元m分配用戶i的總功率，k表示用戶個數(shù)，m表示天線單元總數(shù)，hm,k表示天線單元m與用戶k之間的信道響應(yīng)，表示系統(tǒng)的加性高斯白噪聲，αm,k與βm,k均為連續(xù)凸函數(shù)逼近因子，表示天線單元m最大的發(fā)送功率，rmin表示滿足用戶qos保障的最小速率要求，表示天線單元m分配用戶k采集能量的功率。

s5：計算連續(xù)凸函數(shù)逼近因子以及轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃問題后的能效函數(shù)fi(φ)；連續(xù)凸函數(shù)逼近因子如式(5)所示：

式(10)中，表示天線單元m在第i-1次迭代中分配給用戶k的功率，hm,k表示天線單元m與用戶k之間的信道響應(yīng)，m表示天線單元總數(shù)，k表示用戶個數(shù)。

s6：根據(jù)步驟s4得到的幾何規(guī)劃問題，通過迭代方法求解最優(yōu)功率分配

s7：判斷功率分配方法的收斂精度是否小于收斂門限：如果小于，則進(jìn)行步驟s8；否則，則返回步驟s6。

s8：將最優(yōu)功率分配重新賦值給轉(zhuǎn)化為幾何規(guī)劃問題后的能效函數(shù)，判定能效函數(shù)是否小于設(shè)定門限值：如果小于，則繼續(xù)進(jìn)行步驟s9；否則，則返回步驟s5。

s9：計算最優(yōu)能效函數(shù)對應(yīng)的功率分配。

圖3給出了分布式天線系統(tǒng)在混合能量供電下能量有效的功率分配收斂圖。從圖3中可以看出，本具體實施方式給出的方法很快收斂到了最優(yōu)功率分配，其中rau1發(fā)送給用戶1的功率為比發(fā)送給用戶2的功率大。同理，為了滿足用戶的qos需求，rau2發(fā)送給用戶2的功率比發(fā)送給用戶1的功率大。

圖4給出了分布式天線系統(tǒng)在最小電網(wǎng)功耗、最大系統(tǒng)吞吐量與最大系統(tǒng)能效三種功率分配方法下系統(tǒng)能量效率的收斂圖。最大系統(tǒng)能效功率分配方法也即本具體實施方式給出的功率分配方法。從圖4中可以看出，本具體實施方式給出的方法的能量效率明顯高于最大化系統(tǒng)吞吐量功率分配方法，同時也略高于最小化電網(wǎng)消耗的功率分配方法。

圖5給出了分布式天線系統(tǒng)在最小化發(fā)送功率(minpt)、最大系統(tǒng)吞吐量(maxr)與最大系統(tǒng)能效(maxee)三種功率分配方法下rau采集能量與系統(tǒng)能量效率的仿真圖。從圖5中可以看出，本具體實施方式給出的方法在rau采集能量不大時，能量效率明顯高于其他兩種功率分配方法。當(dāng)rau采集能量較大時，采集的能量足以提供數(shù)據(jù)傳輸，所以最小化發(fā)送功率與本具體實施方式方法的能量效率相差不大。