一种mimo分布式基站系统中能量效率最优化的方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于移动通信系统中的网络技术领域，尤其涉及一种移动通信网络中能量 效率最优化问题。
【背景技术】
[0002] 作为移动通信网络设计中要的性能指标之一，频谱效率在过去几十年间已被广泛 研究，而MM0分布式天线系统能大大提高系统的频谱效率。然而，由于能量短缺以及温室 效应，能量效率成为移动通信网络的一个新的研究热点。而MHTO分布式天线中的能效最优 化问题是一个非凸问题，在现有的技术中很难求得其最优解。
【发明内容】
[0003] 发明目的：本发明的目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种MM0分布式基 站系统中能量效率最优化的方法，该方法一方面解决了选择远程接入点的问题：选择一部 分远程接入点进行信息传输，并不是采用远程接入点全开的方式；另一方面，在给定激活远 程接入点集合的情况下，给出了一种求解能效最优化的问题。
[0004] 技术方案：为实现上述发明目的，本发明采取的技术方案如下：
[0005] -种M頂0分布式基站系统中能量效率最优化的方法，包括如下步骤：
[0006] (1)建立给定远程接入点集合S:下的能量效率最优化问题模型，并将所述问题模 型转化为三个子问题进行求解，得到满足远程端口最大发送功率约束和用户最小速率约束 下使得用户能效最大的发送协方差的最优解和对应的最大能量效率值，所述三个子问题 为：满足远程端口最大发送功率约束下最大化用户速率问题（P1)，满足远程端口最大发送 功率约束下最大化能效问题（P2)，以及满足用户最小速率约束和远程端口最大发送功率约 束下功率最小化问题（P3);
[0007] ⑵将用户到远程接入点的距离按照从小到大的顺序排列，每次将距离用户最小 的接入点纳入激活接入点集合，采用步骤（1)的方法基于给定激活接入点集合计算得到对 应的能量效率，直到增加的接入点使得接入点集合对应的能量效率降低，得到的最大能量 效率对应的接入点集合即为最终选择给用户发送信息的接入点集合。
[0008] 具体地，所述给定远程接入点集合S下的能量效率最优化问题模型可表示为
[0009]
[0010]
[0011] 其中，Hs表示激活远程接入端口到用户的信道矩阵，R_为用户的最小速率 需求，为系统的硬件总功耗，Q:为所有激活接入点给用户的发送信号的相关矩阵，
表示在满足每个远程接入点最大发送功率 <约束条件下Qs的可行解集合，
A为集合 S中接入点总个数，为第Sl个接入点的天线数。
[0012] 进一步地，基于上述能量效率最优化问题模型，所述三个子问题分别表示为：
[0013]
[0014]
[0015]
[0016] 对所述三个子问题进行求解的步骤包括：
[0017] (1. 1)求解（P1)得到满足接入点功率约束下使得用户速率最大的发送协方差 Q:PM，:如果l〇g2 |l + HsQ:P1)Hf卜则进入步骤（1. 2)，否则问题不可解；
[0018] (1. 2)求解（P2)得到满足接入点功率约束下使得用户能效最大的发送协方差 Qk，如果+ 则(^2)即是给定远程接入点集合下能量效率最优化 问题的最优解；否则进入步骤（1. 3);
[0019] (1. 3)求解问题（P3)得到满足接入点功率和用户速率约束下使得用户能效最大 的发送协方差Qim，即为给定远程接入点集合下能量效率最优化问题的最优解。
[0020] 进一步地，所述步骤（1. 1)中求解问题（P1)的方法为：将问题（P1)优化模型 转化为拉格朗日函数对偶函数优化模型，最优解Q丨P1,表示为Qipu ，其中，
入i为拉格朗日因子，U为对矩阵B「H.〃H〃ir1/2进行奇异值分解得到的特征 向量组成的矩阵
A = diagh，…，qj为r个子信道上的发送 功率组成的对角矩阵；通过迭代算法求得最优解，具体包括：
[0021] (1.1.1)令迭代次数初值n=0,随机产生拉格朗日因子Aw= [Ai，…，Aa]使 得矩阵
[0022] (1. 1. 2)计算用户发送协方差
[0023] (1. 1. 3)计算次梯度步长
[0024] (1. 1. 4)更新
收 敛，则停止迭代，得到的即为最优解「，否则进入步骤（1.1.2)，e为设定的收 敛阈值。
[0025] 进一步地，所述步骤（1. 2)中求解问题（P2)的方法为：将问题（P2)优化模型转化 为函藝
通过迭代算法求得最优解，具体 包括：
[0026] (1. 2. 1)令迭代次数n = 0,设置初始值n (Q)，使得G(n (Q))=〇;
[0027] (1. 2. 2)采用所述步骤（1. 1. 1)至（1. 1. 4)的方法计算得到，此时步骤 (1.1.1)至（1.1.4)中的矩阵B替代为的+乏；二;
[0028] (1. 2. 3)更新：
如果In (n+1)- n (n)I彡M夂敛，则停 止迭代，得到的即为最优解Q；p2)，否则进入步骤（1. 2. 2)。
[0029] 进一步地，所述步骤（1. 3)中求解问题（P3)的步骤包括：
[0030] (1. 3.1)记nLn (n+1)，其中n (n+1)为求解（P2)算法产生的结果，令迭代次数n =1，初始化Umax=n *，umin=0，u(1)= (umax+umin)/2,；
[0031] (1. 3. 2)采用所述步骤（1. 1. 1)至（1. 1. 4)的方法计算得到，此时步骤 (1. 1. 1)至（1. 1. 4)中的矩阵B替代为
，如果一卜+明:卜^啦卜一则停 止迭代；否则，令umax= u(n)，u(n+1)= (u_+umin)/2,重复步骤（1. 3. 2)进行迭代。
[0032] 进一步地，所述步骤（2)中具体包括：
[0033] (2. 1)设置初始的能量效率0,问题可行标志flag = 0,最优的接入点集 合为，激活的接入点个数A= 1 ;将接入点到用户的距离山按照递增的顺序排列，即 …彡d 31⑴代表离用户第i近的接入点的索引，I为远程接入点总个数；
[0034] (2. 2)令激活接入点集合，来自激活接入点的信道矩阵 为 …，HU]:;
[0035] (2. 3)在给定SB情况下，通过采用所述步骤（1. 1)至（1. 3)的方法求解能效最大 化问题，得到最优解，如果最优化问题不可解，那么令EE =0;否则，令flag = 1，根据最 优解计算得到1:1 ,;
[0036] (2. 4)如果玄EE%，令EE_=EEgtf，、;否则，终止，得到最终选择给 用户发送信息的接入点集合見 Pt;
[0037] (2. 5)如果A < I，令A = A+1，跳到步骤（2. 2);否则进入步骤（2. 6);
[0038] (2. 6)如果flag = 0,令Sq,t ={1，…，/]，基于§_.:求解速率最大化问题（P1),计算 相应的，并将所有接入点打开；否则，终止。
[0039] 有益效果：与现有技术相比，本发明求解了分布式基站系统在用户速率约束和分 布式接入点功率限制条件下的能效最优化问题，并提出一种新型的基于距离的接入点选择 方案，方法简单，能快速收敛到最优解，并且结果精确。
【附图说明】
[0040] 图1是MM0分布式基站系统的网络结构图。
【具体实施方式】
[0041] 下面对本发明技术方案进行详细说明，但本发明的保护范围不局限于所述实施实 例。
[0042] 本发明实施例公开了一种MM0分布式基站系统中能量效率最优化的方法。如图 1所示，
[0043] 我们考虑一个下行的单用户分布式基站中有I个远程接入点，和1个用户。当远 程接入点数目小于6时，第j个接入点的位置为（rcos(2jt(j-l)/I))，r sin(2Ji (j-1)/ I))，j = 1，2,…，I，其中r = 2R sin〇 /IV(3it/I)，否则第一个远程接入点位于小区中 心（〇,〇)，其他1-1 个接入点位于（r c〇S(2jt(j-lV(I-l)))，r sin(2 3i (j-lV(I-l)))，j =2,…，I〇
[0044] 本发明实施例的能量效率最优化的方法主要包括两个部分，首先在给定激活接入 点集合下，提出了一种低复杂度的发送预编码最优设计方案，该方案将能效最优化问题转 化为三个子问题进行求解（速率最大化问题，没有速率约束下能效最优化问题，有速率约 束下功率最小化问题），通过迭代求解最优的发送预编码方案（即所有激活接入点给用户 的发送信号的相关矩阵的最优解）；然后提出了一种基于距离的新型的低复杂度分布式接 入点选择算法。具体的，本发明实施例的方法主要包括如下步骤：
[0045] (1)给定远程接入点集合1下的能量效率最优化问题可以表示为
[0046]
[0047]
[0048]其中，Hs表示激活远程接入端口到用户的信道矩阵，为这个用户的最 小和速率需求，J = _为激活的远程接入点总个数，§ = …5心}￡|1，2，_^|}，系 统的硬件总功耗匕=从/V-也，At =[丄/W为所有激活的天线总数，为 第81个接入点的天线数，p。为每根天线对应的射频链路功率损耗，p。为每个远程 接入端口的静态链路损耗，<3§为所有激活接入点给用户的发送信号的相关矩阵， 外:'=jQ. :Q. /=丨，…表示满足每个远程接入点最大发送功率及约 /\ 束下<3§的可行解集合，
[0049] 我们将上述能量效率最优化问题转化为求解如下三个辅助的子问题：满足远程端 口最大发送功率限制下最大化用户速率问题（P1)，满足远程端口最大发送功率限制下最大 化能效最优化问题（P2)，以及用户最小速率约束和远程端口最大发送功率约束下功率最小 化问题（P3)。所述的三个子问题分别表示为：
[0050]
[0051]
[0052]
[0053] 那么求解给定激活接入点集合S下的能效优化问题可以分为以下步骤求解：
[0054] (1. 1)求解（P1)得到满足接入点功率约束下使得用户速率最大的发送协方差 Q;，如果log: |l + 卜则进入步骤（1. 2)，否则问题不可解；
[0055] (1. 2)求解（P2)得到满足接入点功率约束下使得用户能效最大的发送协方差 ,如果|l +HsQ(^Hf卜则Q；p2)即是给定远程接入点集合下能量效率最优化问 题的最优解；否则进