[發明專利]一種分布式天線系統中能量效率和頻譜效率權衡優化的方法

有效

• 申請號: 201710597863.5
• 申請日: 2017-07-20
• 公開（公告）號: CN107302766B
• 公開（公告）日: 2021-01-26
• 發明（設計）人: 王吉平;鄧世燕;陳宏濱
• 申請（專利權）人: 桂林電子科技大學
• 主分類號: H04W16/14
• 分類號: H04W16/14;H04W36/00
• 代理公司: 桂林市華杰專利商標事務所有限責任公司 45112
• 代理人: 王儉

1.一種分布式天線系統中能量效率和頻譜效率權衡優化的方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一，建立系統模型、確定優化目標：

建立分布式天線系統模型，RAU均勻分布在小區內，用戶隨機分布，發送和接收端均為單天線，用戶間通過正交頻分多址(OFDMA)技術消除干擾，計算系統信噪比、頻譜效率和能量效率，引入柯布-道格拉斯產生函數從同時考慮能量效率和頻譜效率的角度確立優化目標，稱之為小區效用，記為U(p)；

步驟二，基于距離的RAU選擇：

通過計算每個RAU到所有用戶的距離和并按降序排列，每次關閉距離和最大的一個RAU，在平均功率分配基礎上計算此時的U(p)，直到U(p)不再增加，此時的RAU集合即為已知用戶位置和效用因子下最佳的RAU集合，記為RAUn，其中n＝1，2，…，I；

步驟三，啟發式功率分配：

以每個RAU的發射功率上限為約束條件，對U(p)求解，得出一個啟發式的權衡功率分配近似值，采用次梯度迭代法，在每一次的迭代中更新RAUn分配給用戶m的功率，直到能量效率、頻譜效率和小區效用均收斂時停止迭代，得出最終的能量效率和頻譜效率權衡優化后的近似功率分配值；

步驟一中，假設小區內有I個RAU和M個用戶，用戶和RAU均配有單個天線，N是選擇好的可用于發射信號的RAU數目，在第m個用戶接收到的信號可表示如下：

p_n,m是RAUn分配給用戶m的發送功率，h_n,m代指從RAUn到用戶m的復合信道沖擊響應，x(t)代表發送給用戶m的信息，滿足E[|x(t)|²]＝1,z_m是均值為0，方差為的復合加性高斯白噪聲功率；

通過使用正交頻分多址技術使信道分配給不同的用戶是正交或者非重疊，第m個用戶的信噪比通過最大合并比在用戶端可以表示如下：

在第m個用戶處可實現的數據速率可以表示為：

R_m＝log₂(1+SNR_m) (4)

系統總的頻譜效率(bit/s/Hz)等于各用戶的數據速率之和可以表示為：

功耗模型可表示如下：

這里P_total代表總功耗，τ是射頻功率放大器的效率，P_c是系統的靜態電路功率損耗包括濾波器、混頻器、振蕩器的功耗，P_bh是光纖傳輸耗散功率，P_t是總的發射功率，可以被表示如下：

能量效率(bit/s/Joule)是數據速率或頻譜效率與總功耗的比值，可表示如下：

通過引入柯布-道格拉斯產生函數確立優化目標為：

w_n是小區的效用因子，其范圍在[0，1]之間，U(p)稱之為小區效用；

步驟三中，以每個RAU的發射功率為約束，其優化目標及約束表示如下：

maxU(p) (10)

對目標優化問題取對數有：

max F(p)＝log₂R-(1-w_n)log₂P_total (11)

P_max代表每個RAU可達到的最大發射功率，代表第n個RAU向第n個用戶發送信息的最大發射功率，先考慮在下目標函數(9)的情況，目標函數存在唯一的帕累托最優解使F(p)最大化，F(p)在上單調遞增在上單調遞減，令g(p)＝P_total對F(p)求導可得：

進一步求解可得

這里是的唯一解，接下來考慮求和不等式約束問題，由于且顯然當滿足用戶數M＝1和時，目標函數(9)的全局最優解其他時刻

對方程式(11)使用拉格朗日對偶方法有：

這里λ_n是求和不等式約束的拉格朗日對偶變量，根據庫恩塔克條件(KKT)求出近似功率分配值為：

這里是優化功率值，η_EE、η_SE分別是小區內的能量效率和頻譜效率；

拉格朗日乘數λ_n根據次梯度迭代法更新：

是第i個小正步長，只要足夠小就能夠保證次梯度迭代的收斂性；

具體的權衡功率分配算法包括如下步驟：

Step 3-1：判斷用戶數M＝1是否成立，如果成立去到Step3-2，否則去到Step 3-3；

Step 3-2：判斷如果是，則停止算法，輸出否則去到Step 3-3；

Step 3-3：根據給出的w_n值，用Step 2-1至Step 2-6提出的RAU選擇算法進行最優的RAU數目及位置選擇；

Step 3-4：初始化i＝1，n∈{1,2,3,...N},m＝{1,2,3,...M}；

Step 3-5：n＝1,m＝1；

Step 3-6：判斷n≤N,如果是去到Step 3-7，否則去到Step 3-9；

Step 3-7：判斷m≤M，如果是去到Step 3-8，否則根據方程式(19)更新的值，并令n＝n+1；

Step 3-8：根據方程式(18)計算出的值，令m＝m+1,返回Step 3-7；

Step 3-9：直到η_SE,η_EE,均收斂時跳出循環，停止算法，輸出否則使迭代次數更新為i＝i+1，返回Step 3-5。

2.根據權利要求1所述的分布式天線系統中能量效率和頻譜效率權衡優化的方法，其特征在于，步驟二中，定義d_n,m為第n個RAU到第m個用戶的距離，d_n為第n個RAU到所有用戶的距離總和：

d_n＝d_n,1+d_n,2+d_n,3+....+d_n,m，

基于距離的RAU選擇算法包括如下步驟：

Step 2-1：求出距離和d_n，n＝1,2,3,…I；

Step 2-2：將d_n按降序排列，重新標記為{d₁，d₂，...d_n，...d_I}；

Step 2-3：在已知效用因子w_n時，計算I個RAU均打開時的小區效用，記為U_max，對應的信道矩陣為H_max；

Step 2-4：n＝1；

Step 2-5：關閉d_n所在的第n個RAU，計算此時的小區效用，記為U_n，n＝1,2,3,…I，對應的信道矩陣為H_n；

Step 2-6：判斷U_n＞U_max，如果是則令U_max＝U_n，H_max＝H_n，且令n＝n+1，返回Step 2-5；否則直接返回Step2-5，直到n＝I，輸出H_max，即為給定效用因子w_n情況下最佳的RAU集合的信道矩陣。