一種mimo分布式基站系統(tǒng)中能量效率最優(yōu)化的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于移動通信系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種移動通信網(wǎng)絡(luò)中能量 效率最優(yōu)化問題。
【背景技術(shù)】
[0002] 作為移動通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)計中要的性能指標之一，頻譜效率在過去幾十年間已被廣泛 研究，而MM0分布式天線系統(tǒng)能大大提高系統(tǒng)的頻譜效率。然而，由于能量短缺以及溫室 效應(yīng)，能量效率成為移動通信網(wǎng)絡(luò)的一個新的研究熱點。而MHTO分布式天線中的能效最優(yōu) 化問題是一個非凸問題，在現(xiàn)有的技術(shù)中很難求得其最優(yōu)解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種MM0分布式基 站系統(tǒng)中能量效率最優(yōu)化的方法，該方法一方面解決了選擇遠程接入點的問題：選擇一部 分遠程接入點進行信息傳輸，并不是采用遠程接入點全開的方式；另一方面，在給定激活遠 程接入點集合的情況下，給出了一種求解能效最優(yōu)化的問題。
[0004] 技術(shù)方案：為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采取的技術(shù)方案如下：
[0005] -種M頂0分布式基站系統(tǒng)中能量效率最優(yōu)化的方法，包括如下步驟：
[0006] (1)建立給定遠程接入點集合S:下的能量效率最優(yōu)化問題模型，并將所述問題模 型轉(zhuǎn)化為三個子問題進行求解，得到滿足遠程端口最大發(fā)送功率約束和用戶最小速率約束 下使得用戶能效最大的發(fā)送協(xié)方差的最優(yōu)解和對應(yīng)的最大能量效率值，所述三個子問題 為：滿足遠程端口最大發(fā)送功率約束下最大化用戶速率問題（P1)，滿足遠程端口最大發(fā)送 功率約束下最大化能效問題（P2)，以及滿足用戶最小速率約束和遠程端口最大發(fā)送功率約 束下功率最小化問題（P3);
[0007] ⑵將用戶到遠程接入點的距離按照從小到大的順序排列，每次將距離用戶最小 的接入點納入激活接入點集合，采用步驟（1)的方法基于給定激活接入點集合計算得到對 應(yīng)的能量效率，直到增加的接入點使得接入點集合對應(yīng)的能量效率降低，得到的最大能量 效率對應(yīng)的接入點集合即為最終選擇給用戶發(fā)送信息的接入點集合。
[0008] 具體地，所述給定遠程接入點集合S下的能量效率最優(yōu)化問題模型可表示為
[0009]
[0010]
[0011] 其中，Hs表示激活遠程接入端口到用戶的信道矩陣，R_為用戶的最小速率 需求，為系統(tǒng)的硬件總功耗，Q:為所有激活接入點給用戶的發(fā)送信號的相關(guān)矩陣，
表示在滿足每個遠程接入點最大發(fā)送功率 <約束條件下Qs的可行解集合，
A為集合 S中接入點總個數(shù)，為第Sl個接入點的天線數(shù)。
[0012] 進一步地，基于上述能量效率最優(yōu)化問題模型，所述三個子問題分別表示為：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 對所述三個子問題進行求解的步驟包括：
[0017] (1. 1)求解（P1)得到滿足接入點功率約束下使得用戶速率最大的發(fā)送協(xié)方差 Q:PM，:如果l〇g2 |l + HsQ:P1)Hf卜則進入步驟（1. 2)，否則問題不可解；
[0018] (1. 2)求解（P2)得到滿足接入點功率約束下使得用戶能效最大的發(fā)送協(xié)方差 Qk，如果+ 則(^2)即是給定遠程接入點集合下能量效率最優(yōu)化 問題的最優(yōu)解；否則進入步驟（1. 3);
[0019] (1. 3)求解問題（P3)得到滿足接入點功率和用戶速率約束下使得用戶能效最大 的發(fā)送協(xié)方差Qim，即為給定遠程接入點集合下能量效率最優(yōu)化問題的最優(yōu)解。
[0020] 進一步地，所述步驟（1. 1)中求解問題（P1)的方法為：將問題（P1)優(yōu)化模型 轉(zhuǎn)化為拉格朗日函數(shù)對偶函數(shù)優(yōu)化模型，最優(yōu)解Q丨P1,表示為Qipu ，其中，
入i為拉格朗日因子，U為對矩陣B「H.〃H〃ir1/2進行奇異值分解得到的特征 向量組成的矩陣
A = diagh，…，qj為r個子信道上的發(fā)送 功率組成的對角矩陣；通過迭代算法求得最優(yōu)解，具體包括：
[0021] (1.1.1)令迭代次數(shù)初值n=0,隨機產(chǎn)生拉格朗日因子Aw= [Ai，…，Aa]使 得矩陣
[0022] (1. 1. 2)計算用戶發(fā)送協(xié)方差
[0023] (1. 1. 3)計算次梯度步長
[0024] (1. 1. 4)更新
收 斂，則停止迭代，得到的即為最優(yōu)解「，否則進入步驟（1.1.2)，e為設(shè)定的收 斂閾值。
[0025] 進一步地，所述步驟（1. 2)中求解問題（P2)的方法為：將問題（P2)優(yōu)化模型轉(zhuǎn)化 為函藝
通過迭代算法求得最優(yōu)解，具體 包括：
[0026] (1. 2. 1)令迭代次數(shù)n = 0,設(shè)置初始值n (Q)，使得G(n (Q))=〇;
[0027] (1. 2. 2)采用所述步驟（1. 1. 1)至（1. 1. 4)的方法計算得到，此時步驟 (1.1.1)至（1.1.4)中的矩陣B替代為的+乏；二;
[0028] (1. 2. 3)更新：
如果In (n+1)- n (n)I彡M夂斂，則停 止迭代，得到的即為最優(yōu)解Q；p2)，否則進入步驟（1. 2. 2)。
[0029] 進一步地，所述步驟（1. 3)中求解問題（P3)的步驟包括：
[0030] (1. 3.1)記nLn (n+1)，其中n (n+1)為求解（P2)算法產(chǎn)生的結(jié)果，令迭代次數(shù)n =1，初始化Umax=n *，umin=0，u(1)= (umax+umin)/2,；
[0031] (1. 3. 2)采用所述步驟（1. 1. 1)至（1. 1. 4)的方法計算得到，此時步驟 (1. 1. 1)至（1. 1. 4)中的矩陣B替代為
，如果一卜+明:卜^啦卜一則停 止迭代；否則，令umax= u(n)，u(n+1)= (u_+umin)/2,重復(fù)步驟（1. 3. 2)進行迭代。
[0032] 進一步地，所述步驟（2)中具體包括：
[0033] (2. 1)設(shè)置初始的能量效率0,問題可行標志flag = 0,最優(yōu)的接入點集 合為，激活的接入點個數(shù)A= 1 ;將接入點到用戶的距離山按照遞增的順序排列，即 …彡d 31⑴代表離用戶第i近的接入點的索引，I為遠程接入點總個數(shù)；
[0034] (2. 2)令激活接入點集合，來自激活接入點的信道矩陣 為 …，HU]:;
[0035] (2. 3)在給定SB情況下，通過采用所述步驟（1. 1)至（1. 3)的方法求解能效最大 化問題，得到最優(yōu)解，如果最優(yōu)化問題不可解，那么令EE =0;否則，令flag = 1，根據(jù)最 優(yōu)解計算得到1:1 ,;
[0036] (2. 4)如果玄EE%，令EE_=EEgtf，、;否則，終止，得到最終選擇給 用戶發(fā)送信息的接入點集合見 Pt;
[0037] (2. 5)如果A < I，令A(yù) = A+1，跳到步驟（2. 2);否則進入步驟（2. 6);
[0038] (2. 6)如果flag = 0,令Sq,t ={1，…，/]，基于§_.:求解速率最大化問題（P1),計算 相應(yīng)的，并將所有接入點打開；否則，終止。
[0039] 有益效果：與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明求解了分布式基站系統(tǒng)在用戶速率約束和分 布式接入點功率限制條件下的能效最優(yōu)化問題，并提出一種新型的基于距離的接入點選擇 方案，方法簡單，能快速收斂到最優(yōu)解，并且結(jié)果精確。
【附圖說明】
[0040] 圖1是MM0分布式基站系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖。
【具體實施方式】
[0041] 下面對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明，但本發(fā)明的保護范圍不局限于所述實施實 例。
[0042] 本發(fā)明實施例公開了一種MM0分布式基站系統(tǒng)中能量效率最優(yōu)化的方法。如圖 1所示，
[0043] 我們考慮一個下行的單用戶分布式基站中有I個遠程接入點，和1個用戶。當(dāng)遠 程接入點數(shù)目小于6時，第j個接入點的位置為（rcos(2jt(j-l)/I))，r sin(2Ji (j-1)/ I))，j = 1，2,…，I，其中r = 2R sin〇 /IV(3it/I)，否則第一個遠程接入點位于小區(qū)中 心（〇,〇)，其他1-1 個接入點位于（r c〇S(2jt(j-lV(I-l)))，r sin(2 3i (j-lV(I-l)))，j =2,…，I〇
[0044] 本發(fā)明實施例的能量效率最優(yōu)化的方法主要包括兩個部分，首先在給定激活接入 點集合下，提出了一種低復(fù)雜度的發(fā)送預(yù)編碼最優(yōu)設(shè)計方案，該方案將能效最優(yōu)化問題轉(zhuǎn) 化為三個子問題進行求解（速率最大化問題，沒有速率約束下能效最優(yōu)化問題，有速率約 束下功率最小化問題），通過迭代求解最優(yōu)的發(fā)送預(yù)編碼方案（即所有激活接入點給用戶 的發(fā)送信號的相關(guān)矩陣的最優(yōu)解）；然后提出了一種基于距離的新型的低復(fù)雜度分布式接 入點選擇算法。具體的，本發(fā)明實施例的方法主要包括如下步驟：
[0045] (1)給定遠程接入點集合1下的能量效率最優(yōu)化問題可以表示為
[0046]
[0047]
[0048]其中，Hs表示激活遠程接入端口到用戶的信道矩陣，為這個用戶的最 小和速率需求，J = _為激活的遠程接入點總個數(shù)，§ = …5心}￡|1，2，_^|}，系 統(tǒng)的硬件總功耗匕=從/V-也，At =[丄/W為所有激活的天線總數(shù)，為 第81個接入點的天線數(shù)，p。為每根天線對應(yīng)的射頻鏈路功率損耗，p。為每個遠程 接入端口的靜態(tài)鏈路損耗，<3§為所有激活接入點給用戶的發(fā)送信號的相關(guān)矩陣， 外:'=jQ. :Q. /=丨，…表示滿足每個遠程接入點最大發(fā)送功率及約 /\ 束下<3§的可行解集合，
[0049] 我們將上述能量效率最優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為求解如下三個輔助的子問題：滿足遠程端 口最大發(fā)送功率限制下最大化用戶速率問題（P1)，滿足遠程端口最大發(fā)送功率限制下最大 化能效最優(yōu)化問題（P2)，以及用戶最小速率約束和遠程端口最大發(fā)送功率約束下功率最小 化問題（P3)。所述的三個子問題分別表示為：
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 那么求解給定激活接入點集合S下的能效優(yōu)化問題可以分為以下步驟求解：
[0054] (1. 1)求解（P1)得到滿足接入點功率約束下使得用戶速率最大的發(fā)送協(xié)方差 Q;，如果log: |l + 卜則進入步驟（1. 2)，否則問題不可解；
[0055] (1. 2)求解（P2)得到滿足接入點功率約束下使得用戶能效最大的發(fā)送協(xié)方差 ,如果|l +HsQ(^Hf卜則Q；p2)即是給定遠程接入點集合下能量效率最優(yōu)化問 題的最優(yōu)解；否則進