一种最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形方法技术方案

本发明专利技术提出了一种最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形方法。本方法采用合理的分布式天线系统功耗模型，综合运用凸松弛方法、权重因子迭代和Dinkelbach搜索机制等，主要解决分布式天线系统中具有最大能量效率的发送波束赋形向量设计问题。本发明专利技术适用于考虑系统回程链路功耗的分布式天线系统中，能够实现联合多用户发送波束赋形向量设计，在有效保证用户QoS需求的同时提高系统的能量效率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信
，涉及一种分布式联合多用户发送波束赋形方法，可用于分布式天线系统中设计具有最大能量效率的发送波束向量。
技术介绍
目前，信息和通信行业已经占据了超过3％的全球能源消耗，并且还在快速的增长。在无线通信领域，新型多媒体业务的不断涌现和无处不在的网络服务使得无线接入网络消耗了超过70％的能量资源。因此，实现无线网络的节能减排，提高无线接入传输的能量效率是实现绿色通信的必然途径。分布式天线系统通过按照某种规则或者随机的将天线单元部署在小区内的不同位置，缩短了用户与网络接入点之间的距离，能够有效的降低信号在无线信道中传输时所经历的衰落，在提高系统的能量效率方面具有先天的优势。由于信号的发送与处理功能分离，导致分布式系统具有与集中式网络架构完全不同的系统功耗模型。同时分布式天线单元与系统中央处理单元之间的系统回程链路也会消耗一定的功率资源，并且这部分功耗的大小与用户的协作天线集合选择密切相关。因此，为提高每焦耳能量传输的数据比特数，需要设计合理的分布式天线系统功耗模型、确定用户的协作天线集合，并在此基础上设计具有能量效率最大化的联合多用户发送波束赋形向量。目前，已有一些文献研究了分布式天线系统的能量效率问题，如A.Attar在IEEEWirel.Commun.，2011，18(5)：66-74《Greenlastmile:Howfiberconnectedmassivelydistributedantennasystemscansaveenergy》一文通过仿真实验证明了分布式天线系统具有比传统蜂窝网络和家庭基站架构更高的能量效率。C.L.He在IEEEJ.Sel.AreasCommun.，2013，31(5)：894-902《Energyandspectralefficiencytradeofffordistributedantennasystemswithproportionalfairness》一文中研究了具有用户传输速率比例公平约束的能效最大化问题，采用多目标优化方法获得了具有最大能量效率的天线功率分配方法。但是该方法中假设每个天线单元只具有一个发送天线，且用户之间不存在干扰，很难扩展应用。L.Zhong在MobileNetw.Appl.2012，17(1)：36-44《Energy-efficientresourceallocationinmobilenetworkswithdistributedantennatransmission》一文中研究了基于联合波束赋形的分布式天线系统能量效率问题，通过自适应的资源分配和干扰抑制实现最优的能量效率和更高的系统容量。但是该方法并没有考虑到回程链路上的功率消耗对于整个系统能量效率的影响。本专利技术针对分布式天线系统中的能量效率最大化问题，建立了合理的分布式天线系统功耗模型，综合运用凸松弛方法、权重因子迭代和Dinkelbach搜索机制实现了近似最优的联合多用户发送波束赋形向量设计，能够在保证用户QoS需求基础上有效提高分布式天线系统的能量效率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种适用于分布式天线系统的波束赋形方法，通过联合发送波束赋形向量设计，实现保证用户的QoS需求和最大化每焦耳能量所传输的数据比特数。实现本专利技术的技术关键在于首先建立最大化分布式天线系统能量效率的优化问题；然后利用凸优化理论对优化问题进行松弛、求解；最后利用权重因子迭代的方法构造具有组稀疏性的发送波束赋形向量。一种适用于分布式天线系统能量效率最大化的波束赋形方法，具体实现步骤包括如下：(1)构建分布式天线系统中每个用户的接收信号，并计算每个用户获得的传输速率；构建分布式天线系统的功率消耗模型，并根据得到的传输速率计算整个分布式天线系统的总功率消耗；根据总功率消耗构造分布式天线系统能量效率最大化的目标函数；(2)对能量效率最大化的目标函数引入当前等效因子得到等效目标函数，对等效目标函数进行凸松弛处理得到凸目标函数；(3)以每个用户的QoS需求和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解凸目标函数，得到松弛后的波束赋形向量，并根据松弛后的波束赋形向量计算得到每个用户接收信号的SINR值；(4)对每个天线单元给每个用户发送信号所消耗的发射功率引入权重因子，得到加权发射功率最小化的目标函数；(5)以每个用户接收信号的SINR值和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解加权发射功率最小化的目标函数，得到加权发射功率最小化的目标函数值和引入权重因子后的波束赋形向量；(6)根据加权发射功率最小化的目标函数值计算得到加权发射功率最小化目标函数的相对值；根据引入权重因子后的波束赋形向量计算得到当前分布式天线系统的总功率消耗；(7)比较加权发射功率最小化目标函数的相对值与收敛门限的大小，若加权发射功率最小化目标函数的相对值大于收敛门限，则根据引入权重因子后的波束赋形向量更新权重因子，转入步骤(4)；否则，找出引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量，根据该波束赋形向量计算当前的等效目标函数值和所有用户得到的传输速率之和；(8)比较当前的等效目标函数值与搜索门限的大小，若等效目标函数值大于搜索门限，则计算得到新的等效因子，将新的等效因子作为当前等效因子，转入步骤(2)；否则，引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量就是最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形向量。其中所述的步骤(1)具体包括步骤：(101)构建分布式天线系统中每个用户的接收信号，并计算每个用户获得的传输速率；(102)根据得到的各个用户的传输速率，计算分布式天线系统的各个回程链路上的总传输速率Cn，其中，rk表示第k个用户得到的传输速率，Dn表示第n个天线单元服务的用户集合；(103)构建分布式天线系统的功率消耗模型，并计算计算整个分布式天线系统的功率消耗：其中，PT表示分布式天线系统的总功率消耗，N表示分布式天线系统中的天线单元数，K表示分布式天线系统中的用户数，ε表示天线单元的功率效率，pk,n表示第n个天线单元在给第k个用户发送信号的发射功率消耗，Cn表示第n个天线单元到分布式天线系统中央处理单元的回程链路上的总传输速率，Cbh表示分布式天线系统的回程链路传输容量，Pbh表示分布式天线系统回程链路在满速率传输时的功率消耗，Pc表示天线单元的电路功率消耗，Psp表示分布式天线系统的中央处理单元的信号处理功率消耗；(104)计算分布式天线系统中所有用户的传输速率和并构造分布式天线系统能量效率最大化的目标函数ηEE＝RT/PT，其中，ηEE表示分布式天线系统的能量效率。其中所述的步骤(2)，具体包括步骤：(201)对目标函数引入等效因子λ，得到等效目标函数Γ(λ)＝RT-λPT；(202)采用1-范数凸包络形式对等效目标函数进行松弛，得到初步松弛的目标函数：其中，wk,n表示第n个天线单元给第k个用户发送信号的波束向量；(203)采用一阶泰勒级数展开对得到的初步松弛的目标函数进行再次松弛，得到最终的凸目标函数：其中，B表示分布式天线系统的系统带宽，W表示由所有天线单元对所有用户的发送波束向量组成的波束矩阵，Wk表示由所有天线单元对第k个用户的发送波本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建分布式天线系统中每个用户的接收信号，并计算每个用户获得的传输速率；构建分布式天线系统的功率消耗模型，并根据得到的传输速率计算整个分布式天线系统的总功率消耗；根据总功率消耗构造分布式天线系统能量效率最大化的目标函数；(2)对能量效率最大化的目标函数引入当前等效因子得到等效目标函数，对等效目标函数进行凸松弛处理得到凸目标函数；(3)以每个用户的QoS需求和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解凸目标函数，得到松弛后的波束赋形向量，并根据松弛后的波束赋形向量计算得到每个用户接收信号的SINR值；(4)对每个天线单元给每个用户发送信号所消耗的发射功率引入权重因子，得到加权发射功率最小化的目标函数；(5)以每个用户接收信号的SINR值和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解加权发射功率最小化的目标函数，得到加权发射功率最小化的目标函数值和引入权重因子后的波束赋形向量；(6)根据加权发射功率最小化的目标函数值计算得到加权发射功率最小化目标函数的相对值；根据引入权重因子后的波束赋形向量计算得到当前分布式天线系统的总功率消耗；(7)比较加权发射功率最小化目标函数的相对值与收敛门限的大小，若加权发射功率最小化目标函数的相对值大于收敛门限，则根据引入权重因子后的波束赋形向量更新权重因子，转入步骤(4)；否则，找出引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量，根据该波束赋形向量计算当前的等效目标函数值和所有用户得到的传输速率之和；(8)比较当前的等效目标函数值与搜索门限的大小，若等效目标函数值大于搜索门限，则计算得到新的等效因子，将新的等效因子作为当前等效因子，转入步骤(2)；否则，引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量就是最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形向量。...

【技术特征摘要】
1.一种最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)构建分布式天线系统中每个用户的接收信号，并计算每个用户获得的传输速率；构建分布式天线系统的功率消耗模型，并根据得到的传输速率计算整个分布式天线系统的总功率消耗；根据总功率消耗构造分布式天线系统能量效率最大化的目标函数；(2)对能量效率最大化的目标函数引入当前等效因子得到等效目标函数，对等效目标函数进行凸松弛处理得到凸目标函数；(3)以每个用户的QoS需求和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解凸目标函数，得到松弛后的波束赋形向量，并根据松弛后的波束赋形向量计算得到每个用户接收信号的SINR值；(4)对每个天线单元给每个用户发送信号所消耗的发射功率引入权重因子，得到加权发射功率最小化的目标函数；(5)以每个用户接收信号的SINR值和每个天线单元的发射功率限制为约束条件，采用凸优化理论求解加权发射功率最小化的目标函数，得到加权发射功率最小化的目标函数值和引入权重因子后的波束赋形向量；(6)根据加权发射功率最小化的目标函数值计算得到加权发射功率最小化目标函数的相对值；根据引入权重因子后的波束赋形向量计算得到当前分布式天线系统的总功率消耗；(7)比较加权发射功率最小化目标函数的相对值与收敛门限的大小，若加权发射功率最小化目标函数的相对值大于收敛门限，则根据引入权重因子后的波束赋形向量更新权重因子，转入步骤(4)；否则，找出引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量，根据该波束赋形向量计算当前的等效目标函数值和所有用户得到的传输速率之和；(8)比较当前的等效目标函数值与搜索门限的大小，若等效目标函数值大于搜索门限，则计算得到新的等效因子，将新的等效因子作为当前等效因子，转入步骤(2)；否则，引入权重因子后得到最小分布式天线系统总功率消耗的波束赋形向量就是最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形向量。2.根据权利要求1所述的一种最大化分布式天线系统能量效率的波束赋形方法，其特征在于，步骤(1)具体包括以下步骤：(101)构建分布式天线系统中每个用户的接收信号，并计算每个用户获得的传输速率；(102)根据得到的各个用户的传输速率，计算分布式天线系统的各个回程链路上的总传输速率Cn，Cn=Σk∈Dnrk,∀n]]>其中，rk表示第k个用户得到的传输速率，Dn表示第n个天线单元服务的...

【专利技术属性】
技术研发人员：闫继垒，王玥，郭彦涛，吴巍，李丹镝，杨国瑞，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第五十四研究所，
类型：发明
国别省市：河北;13