TD‑LTE电力无线专网能效资源分配方法与系统与流程

本发明涉及电网通信
技术领域：
，特别是涉及TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法与系统。
背景技术：
：集中式TD-LTE(TimeDivisionLongTerm)电力无线专网通过协调分配功率及带宽等资源来实现协作传输。一般的用于集中式TD-LTE电力无线专网协作传输的能效资源分配方法以最大化系统的能量效率为目标，即：一方面利用天线间的协作来提升系统的吞吐量；另一方面通过功率、基带处理等资源的分配尽可能降低系统总能耗，从而在满足不断增长的通信业务需求的同时实现了节能减排。然而，目前用于集中式TD-LTE电力无线专网协作传输的能效资源分配方法存在的问题是：1)缺乏适用于协作场景的能耗模型。2)存在不必要的天线协作。所有能够与终端建立通信链路的天线均参与协作传输，给去程带宽增加负担，限制系统所能容纳的用户/业务数。上述问题都严重制约TD-LTE电力无线专网系统能效。技术实现要素：基于此，有必要针对一般TD-LTE电力无线专网能效资源分配方案严重制约TD-LTE电力无线专网系统能效的问题，提供一种能够显著提高TD-LTE电力无线专网系统能效的TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法与系统。一种TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法，包括步骤：根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统；根据非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系；获取非对称协作系统的总能耗，其中，总能耗包括基带处理能耗、功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗；根据非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系以及非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式；根据非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解；更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。一种TD-LTE电力无线专网能效资源分配系统，包括：系统建立模块，用于根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统；相对关系获取模块，用于根据非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系；总能耗获取模块，用于获取非对称协作系统的总能耗，其中，总能耗包括基带处理能耗、功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗；函数式获取模块，用于根据非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系以及非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式；优化模块，用于根据非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解；更新模块，用于更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法与系统，根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系，获取非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解，更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。整个过程中，建立适用于TD-LTE电力无线专网中协作场景的非对称协作系统，并提出非对称协作传输的能效资源分配算法，求解得到最大化系统能量效率的最优协作天线数以及最优发射功率分配，无需占用过多去程带宽，能够显著提高TD-LTE电力无线专网系统能效。附图说明图1为本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法第一个实施例的流程示意图；图2为TD-LTE电力无线专网的网络架构示意图；图3为本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法第二个实施例的流程示意图；图4为本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配系统第一个实施例的结构示意图；图5为本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配系统第二个实施例的结构示意图。具体实施方式如图1所示，一种TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法，包括步骤：S100：根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统。TD-LTE电力无线专网的网络架构可以基于历史经验获取，具体来说，如图2所示，图2中UE指代通信终端，RRH为射频单元，BBU为基带处理单元。更具体的相关参数如下表1表1TD-LTE电力无线专网系统模型参数对于终端k，其所收到的信号为：yk=hkH·ωk·sk+Σm≠khkH·ωm·sm+zk]]>式中，为终端k接收到的有用信号；为干扰信号；zk为噪声，满足E[||zk||]＝0且协作传输可有效消除干扰，上述公式第二项干扰信号为0，从而得到终端接收到的信号为：yk=hkH·ωk·sk+zk]]>终端k的信干噪比SINR为ζk=||hkHωk||2σk2]]>在集中式TD-LTE网络架构中，处理中心BBU拥有完备的CSI(ChannelStateInformation，信道状态)信息。为了降低不必要天线协作带来的去程带宽浪费，以接入更多的用户数，非对称协作传输中并非所有的RRH(RemoteRadioHead，射频拉远头)参与协作，而是仅有部分RRH参与协作传输(即处理中心BBU拥有所有终端的数据信息，但是并不会将所有信息进行协作预编码，也不会将预编码及数据信息通过去程链路传输至所有RRH)，定义协作传输标志变量：构建整个非对称协作系统。在其中一个实施例中，步骤S100包括：步骤一：获取TD-LTE电力无线专网的网络架构。TD-LTE电力无线专网的网络架构可以基于历史经验数据获取，具体可以参见图2，其为典型的TD-LTE电力无线专网的网络架构示意图。另外，在某些特殊的应用场景下还可以基于实际的应用场景更新TD-LTE电力无线专网的网络架构。步骤二：定义TD-LTE电力无线专网中协作传输标志变量。步骤三：识别TD-LTE电力无线专网非对称协作传输中参与协作的RRH和未参与协作的RRH。参与向用户k协作传输数据的RRH集合表达为：Γk＝{n|n∈Γ,tn,k＝1}未参与向用户k协作传输数据的RRH的发射功率分配Pn,k满足Pn,k=0,n∉Γk]]>式中，Pn,k为射频单元RRHn到终端k的发射功率分配。步骤四：记录参与协作的RRH集合，并记录未参与协作的RRH的发射功率分配。步骤五：构建非对称协作系统。S200：根据非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系。非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系可以采用函数式方式进行表征，其具体公式将在下述内容中展开描述。S300：获取非对称协作系统的总能耗，其中，总能耗包括基带处理能耗、功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗。非对称协作系统的总能耗主要包括基带处理能耗Pbb、功率放大器能耗PPA、射频部分能耗PRF、额外能耗POV四部分，即：Ptotal＝Pbb+PPA+PRF+POV基带处理能耗Pbb、功率放大器能耗PPA、射频部分能耗PRF、额外能耗POV四部分可以基于历史经验数据，或者借助外部仪器设备测量获得，另外也可以由计算机采用实时计算方式获取。如图3所示，在其中一个实施例中，步骤S300包括：S320：获取TD-LTE电力无线专网的编解码方式与预编码方式、非对称协作系统中天线数目以及非对称协作系统中活跃终端数。基于TD-LTE电力无线专网的网络架构以及相关的预设配置参数可以获取TD-LTE电力无线专网的编解码方式与预编码方式、非对称协作系统中天线数目以及非对称协作系统中活跃终端数。S340：计算非对称协作系统的基带处理能耗。S360：获取非对称协作系统中功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗。非对称协作系统中功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗可以借助外部仪器设备进行测量、采集或者采用实时采集的参数进行计算。S380：计算非对称协作系统的总能耗。下面将采用严谨的数学公式，详细介绍非对称协作系统的总能耗的详细解释过程。基带处理能耗Pbb主要包括信号处理编码能耗Pcodec、解码能耗Pdecodec以及预编码能耗Pprecod，即：Pbb＝Pcodec+Pdecodec+Pprecod信号处理编码能耗Pcodec与解码能耗Pdecodec由TD-LTE系统的编码方式决定，如QPSK、16QAM、64QAM等，与协作天线数N、活跃终端数K无关，可视为固定值。Pprecod依赖于具体的预编码算法且与协作天线数N、活跃终端数K相关。迫零预编码ZF算法的预编码能耗为：Pprecod=1ξ·(3K3N+2KN+23K3)]]>式中ξ为单位能耗的浮点运算数，由信号处理芯片决定，可视为固定值。以迫零预编码ZF算法为例，迫零预编码ZF算法基带处理能耗Pbb为：Pbb=Pcodec+Pdecodec+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)]]>功率放大器的能耗为PPAPPA=Σk=1K1ηPA(1-σfeed)||ωkHωk||2]]>对功率放大器能耗计算公式求期望，可得上式中表示期望，当使用迫零预编码ZF算法时，计算如下||ωkHωk||2=Pk||(hk(hkHhk)-1)Hhk(hkHhk)-1||2=Pk||((hkHhk)-1)HhkHhk(hkHhk)-1||2=Pk||((hkHhk)-1)H||2=Pk·||(hkHhk)-1||2]]>由Wishart(维希特)矩阵分布性质可得，式中，λ是矩阵的特征值，功率放大器能耗PPA可表达为：PPA=KηPA(1-σfeed)·Nρ·1N-1Aλ]]>上式中ηPA＝31.1％，ρ为归一化发射功率分配因子；由于采用了集中式TD-LTE部署，RRH的功率放大器安装位置靠近天线，可以实现自然冷却σfeed＝0。射频能耗为PRF。由于已将功率放大器作为能耗元件单独计算，在给定编码率等通信参数的基础上，射频部分能耗PRF相对为固定值，具体如下所示。系统开销的功耗为POV。POV主要考虑三个涉及到供电的子组件，即AC/DC和DC/DC转换以及冷却组件，计算公式为POV＝(Pbb+PRF+PPA)×((1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)-1)对于集中式TD-LTE而言，冷却部分系数ηcool为10％，供电部分系数ηdcdc为5％，交直流转换系数ηacdc为10％。由公式观察到，在确定了相关系数后，对BBU而言，额外能耗POV占基带处理能耗、功率放大器和射频能耗总和的固定比例，约为25％。综上公式可知，当使用迫零预编码ZF算法时，系统总功耗为：Ptotal=((Pcodec+Pdecodec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+KηPA(1-σfeed)·Nρ·1N-1Aλ+PRF)×(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)]]>S400：根据非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系以及非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式。基于之前已经获取的非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系以及获得的非对称协作系统的总能耗，可以直接获取非对称协作系统的能量效率函数表达式。以对于迫零ZF预编码为例，非对称协作系统的能量效率EE具体函数表达式为：S500：根据非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解。最优天线选择：假设归一化发射功率分配因子ρ为常量，由于天线数目N很大，因此则观察上述公式，可得maxηEE=K×B×log2(1+1σ2Nρ)((Pcodec+Pdecodec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+KηPA(1-σfeed)·ρAλ+PRF)×(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)=K×B(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)·log2(1+1σ2ρN)(Pcodec+Pdecodec+23ξK3+KηPA(1-σfeed)·ρAλ+PRF)+3K3+2KξN]]>其满足形式，进而依据得到天线数目的最优解为：Nopt=eW(1σ2ρ·((Pcodec+Pdecodec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+KηPA(1-σfeed)·ρAλ+PRF)-K×B(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)·3K3+2Kξ(3K3+2Kξ)e)+1-K×B(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)1σ2ρ]]>最优发射功率分配：对于已求得的最优天线数Nopt，观察式上述公式可得maxηEE=K×B×log2(1+1σ2Nρ)((Pcodec+Pdecpdec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+KηPA(1-σfeed)·Nρ·1N-1Aλ+PRF)×(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)=K×B(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)·log2(1+1σ2Nρ)(Pcodec+Pdecodec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+PRF+KηPA(1-σfeed)·NN-1Aλ·ρ]]>其亦满足形式，进而可依据得到其最优解为：ρopt=eW(1σ2(N·(Pcodec+Pdecpdec)+1ξ·(3K3N+2KN+23K3)+PRF)-K×B(1+ηcool)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)·KηPA(1-σfeed)·NN-1Aλ(KηPA(1-σfeed)·NN-1Aλe))+1-K×B(1+ηcoo1)(1+ηdcdc)(1+ηacdc)1σ2N]]>S600：更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。利用步骤S500求得的最优天线数目Nopt以及最优归一化发射功率分配因子ρopt代替初始天线数目N以及归一化发射功率分配因子ρ，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目Nopt以及最优归一化发射功率分配因子ρopt均收敛，得到使非对称协作系能量效率最优的天线数及发射功率分配。本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配方法，根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系，获取非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解，更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。整个过程中，建立适用于TD-LTE电力无线专网中协作场景的非对称协作系统，并提出非对称协作传输的能效资源分配算法，求解得到最大化系统能量效率的最优协作天线数以及最优发射功率分配，无需占用过多去程带宽，能够显著提高TD-LTE电力无线专网系统能效。如图3所示，在其中一个实施例中，步骤S200包括：S220：根据非对称协作系统以及香农公式，计算非对称协作系统中终端数据速率。由香农公式可得，终端k的可达数据速率Ck为：Ck=Blog2(1+||hkHωk||2σ2)]]>式中，σ2为噪声平均功率。S240：根据终端数据速率，计算非对称协作系统的总吞吐量。非对称协作系统的总吞吐量为：C=Σk=1,n∈ΓkKCk=Σk=1,n∈ΓkKBlog2(1+||hkHωk||2σ2).]]>S260：采用詹森不等式对非对称协作系统的总吞吐量计算方式进行变换并进行平均值期望处理，得到非对称协作系统吞吐量下界由天线数目和发射功率分配的函数表达式。以迫零预编码(ZF，Zero-forcing)算法为例，令预编码向量ωk为迫零预编码算法，即满足：其中为所有参与协作传输的天线向终端k的发射功率分配。基于迫零预编码ZF算法的非对称协作系统总吞吐量为：C=Σk=1,n∈ΓkKCk=Σk=1,n∈ΓkKBlog2(1+Pkσ2)]]>基于詹森不等式对系统总吞吐量计算方式进行变换，得到了系统吞吐量的下界：式中，表示期望。定义ρ为归一化的发射功率分配因子，则发射功率分配的期望为：将系统吞吐量下界等价变换为活跃终端数与终端吞吐量的期望值的乘积，在其中一个实施例中，根据非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解的步骤包括：步骤一：获取非对称协作系统的能量效率函数表达式。步骤二：定义发射功率分配为常量，简化非对称协作系统的能量效率函数表达式，求解天线数目最优解的函数表达式。步骤三：根据天线数目最优解函数表达式以及简化后的非对称协作系统的能量效率函数表达式，求解发射功率分配最优解的函数表达式。在其中一个实施例中，获取非对称协作系统的总能耗的步骤之前还包括：基于平均值期望变换以及维希特矩阵特性，获得功率放大器能耗与天线数目和发射功率分配的相对关系。功率放大器能耗与天线数目和发射功率分配的相对关系可以采用函数式形式来表征，其具体函数式为：PPA=KηPA(1-σfeed)·Nρ·1N-1Aλ]]>其具体计算过程详见上述内容，在此不再赘述。如图4所示，一种TD-LTE电力无线专网能效资源分配系统，包括：系统建立模块100，用于根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统。相对关系获取模块200，用于根据非对称协作系统，通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系。总能耗获取模块300，用于获取非对称协作系统的总能耗，其中，总能耗包括基带处理能耗、功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗。函数式获取模块400，用于根据非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系以及非对称协作系统的总能耗，获取非对称协作系统的能量效率函数表达式。优化模块500，用于根据非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解。更新模块600，用于更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。本发明TD-LTE电力无线专网能效资源分配系统，系统建立模块100根据TD-LTE电力无线专网的网络架构与协作传输标志变量，建立非对称协作系统，相对关系获取模块200通过詹森不等式及平均值期望的变换，获得非对称协作系统吞吐量下界与天线数目和发射功率分配的相对关系，总能耗获取模块300获取非对称协作系统的总能耗，函数式获取模块400获取非对称协作系统的能量效率函数表达式，优化模块500优化非对称协作系统的能量效率，获得天线数目最优解和发射功率分配最优解，更新模块600更新天线数目为天线数目最优解并更新发射功率分配为发射功率分配最优解，重复优化非对称协作系统的能量效率，直至最优天线数目与最优发射功率分配均收敛。整个过程中，建立适用于TD-LTE电力无线专网中协作场景的非对称协作系统，并提出非对称协作传输的能效资源分配算法，求解得到最大化系统能量效率的最优协作天线数以及最优发射功率分配，无需占用过多去程带宽，能够显著提高TD-LTE电力无线专网系统能效。在其中一个实施例中，系统建立模块100包括：架构获取单元，用于获取TD-LTE电力无线专网的网络架构。定义单元。用于定义TD-LTE电力无线专网中协作传输标志变量。识别单元，用于识别TD-LTE电力无线专网非对称协作传输中参与协作的RRH和未参与协作的RRH。记录单元，用于记录参与协作的RRH集合，并记录未参与协作的RRH的发射功率分配。构建单元，用于构建非对称协作系统。如图5所示，在其中一个实施例中，相对关系获取模块200包括：第一计算单元220，用于根据非对称协作系统以及香农公式，计算非对称协作系统中终端数据速率。第二计算单元240，用于根据终端数据速率，计算非对称协作系统的总吞吐量。相对关系获取单元260，用于采用詹森不等式对非对称协作系统的总吞吐量计算方式进行变换并进行平均值期望处理，得到非对称协作系统吞吐量下界由天线数目和发射功率分配的函数表达式。如图5所示，在其中一个实施例中，总能耗获取模块300包括：初始参数获取单元320，用于获取TD-LTE电力无线专网的编解码方式与预编码方式、非对称协作系统中天线数目以及非对称协作系统中活跃终端数。基带处理能耗计算单元340，用于计算非对称协作系统的基带处理能耗。能耗获取单元360，用于获取非对称协作系统中功率放大器能耗、射频部分能耗以及额外能耗。总能耗计算单元380，用于计算非对称协作系统的总能耗。以上实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。当前第1页1 2 3