[發明專利]協作網絡下行鏈路非完美信道下的總功率聯合優化方法

有效

• 申請號: 201511008934.0
• 申請日: 2015-12-28
• 公開（公告）號: CN105656666B
• 公開（公告）日: 2019-03-12
• 發明（設計）人: 徐玉濱;王勇;馬琳;崔揚;王孝
• 申請（專利權）人: 哈爾濱工業大學
• 主分類號: H04L12/24
• 分類號: H04L12/24;H04W16/18;H04W16/28;H04W52/14;H04W52/22;H04W52/24;H04W52/30;H04W52/38
• 代理公司: 哈爾濱市松花江專利商標事務所 23109
• 代理人: 楊立超

1.協作網絡下行鏈路非完美信道下的總功率聯合優化方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1、在集中式網絡架構下，該架構下有L個基站，基站集合為Λ＝{1,…,L}，每個基站配有N根天線；被調度的用戶均為單天線用戶，被調度的用戶的集合用K′＝{1,…,K}表示，其中K表示被調度用戶的數量，K為正整數；

根據基站功率消耗模型和回程鏈路功率模型，建立網絡總功率模型：

其中，P^tot表示網絡消耗的總功率；P_l^c為基站l的靜態功率；為基站l的發射功率；表示基站l的回程鏈路功率；A為激活基站的集合；η為功率放大器的效率；k表示用戶序號；w_lk為基站l到用戶k的波束向量；為基站l給用戶k的發送功率；||·||表示矩陣的歐式范數；U_l表示基站l服務的用戶集合；R_k為用戶的速率；p_bh為傳輸最大數據速率為C_bh時回程鏈路功率消耗；

步驟2、針對網絡總功率模型，對網絡總功率消耗問題進行建模：

其中，s.t.表示約束條件；C1表示非完美信道狀態下的SINR約束，C2表示每個基站的最大發送功率受限；

考慮信道的不確定性，將信道建模為一個歐式球約束，用集合Ψ_k表示A個激活基站到用戶k的信道，h_k為A個激活基站到用戶k真實的信道狀態，是A個激活基站到用戶k的信道估計向量，C^NA×1表示NA×1的復向量空間，δ_k為用戶k的信道不確定性的大小；

用戶k的信干噪 比其中|·|表示向量的模，為A個激活基站到用戶k的波束成型向量；w_i為A個激活基站到用戶i的波束成型向量；γ_k為用戶k的信干噪 比門限，P_l^max為基站l的最大發送功率；為用戶k的噪聲功率；

步驟3、已知基站模式時，將問題P轉化問題P7，并通過一個凸優化問題P8迭代解決；

步驟4、采用低復雜度的啟發式方法進行基站模式選擇，并通過迭代求解，得到用戶連接、波束成型；最終解決網絡總功率消耗問題P，得到聯合優化后網絡消耗的總功率；

步驟3所述已知基站模式時將問題P轉化問題P7，并通過一個凸優化問題P8迭代解決的具體步驟如下：

步驟3.1、針對網絡總功率消耗問題P：

由于C1的存在，使得問題P變成一個含有無窮多個非凸約束的組合優化問題；

引入二進制變量a_l∈{0,1}來表征基站l的模式，a_l＝1表示基站處于激活狀態，否則，基站處于關閉狀態；

同時，引入b_lk∈{0,1}，l∈Λ表示基站對用戶的分配情況，即用戶連接模式；b_lk＝1表示基站l服務于用戶k，否則，該基站不分配用戶k的數據；

問題P經過處理之后表示為問題P0：

當給定基站模式a_l和用戶連接模式b_lk時，問題P0變為問題P3；

其中，Tr[·]表示矩陣的跡；表示用戶k的信道協方差矩陣；表示用戶k的波束成型協方差矩陣，同理表示用戶i的波束成型協方差矩陣，其中用戶i表示不同于用戶k的用戶；W＝[W₁,W₂,…,W_K]表示K個用戶的波束成型協方差矩陣組成的集合，Δ_k∈C^NA×NA表示不確定信道引起的用戶k的不確定性矩陣，它是一個NA×NA的復矩陣；ε_k表示受信道不確定性影響的復矩陣Δ_k的大小，它受限于||Δ_k||≤ε_k，ε_k的值是由用戶k的不確定性大小δ_k和用戶k的信道增益決定的，其值為基站l的分配矩陣Q_l，是一個對角陣Q_l＝diag(Q_l1,…Q_lk,…,Q_lK)，其中每一個子矩陣Q_lk表示基站l到用戶k的分配矩陣，當l＝k時，Q_lk是一個單位矩陣I_N，Q_lk＝I_N；否則，當l≠k時，Q_lk是一個零矩陣，即Q_lk＝0_N；rank(·)表示矩陣的秩，等價于約束條件C5；

步驟3.2、利用拉格朗日法求解SINR約束：

利用拉格朗日函數法求解問題P3的約束C12中的最優Δ_k，分別表示為

將得到的公式(5)和(6)代入問題P3，去掉rank(W_k)＝1，得到

步驟3.3、利用兩個凸函數之差算法，即DC算法，確定用戶連接：

當給定基站模式a_l，問題P4變為優化用戶連接和波束成型，即問題P5

首先對二進制變量進行等價，即對0、1變量進行等價：

其中，C41在區間[0,1]上連續，而C42則是兩個凸函數之差，則問題P5變為求解連續空間變量的優化問題P6；

對約束C42進行處理之后得到等價問題P7，

其中，φ是一個遠大于1的實數，用于懲罰這一項；

假設并令表示問題P7目標函數的前三項，問題P7的一個上界由一個凸優化問題P8給出

其中，表示第i次迭代后P8返回的b_lk的值；表示函數f(b_lk)在點的導數；

問題P8可以利用凸優化工具箱進行求解。