无线网络能效谱效联合优化的功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及移动通信系统中能效谱效联合优化优化问题，属于无线通信中的网络
技术领域。
【背景技术】
[0002] 随着智能手机和平板电脑等便携移动终端开始流行并逐渐普及，无线数据业务量 迅猛增长。然而，现在通信系统频谱效率的提高速度跟不上数据需求增长的速度，运一问题 在人流量密集的热点区域尤为严峻。
[0003] W正交频分复用技术（(FDM,OrthogonalRrequen巧DivisionMultiplexing)和 多输入多输出天线技术（]^1]^0,]\11111:1916-1吨111]\11111:1916-〇11化111:)技术为核屯、的1/16化〇]1邑 TermEvolution)通信系统对通信网络的传输能力提出了更高的要求，因此对于频谱资源 极为受限的移动通信系统，需要提升单位传输带宽上的数据传输速率，即提高系统的谱效 (SE,SpectralEfficiency)。
[0004] 随着人们对能源消耗和环境问题的关注，移动通信网络的能耗问题也越来越引起 广大研究者的关注。因此，如何降低移动通信网络所消耗的能量，提高移动通信系统的能效 巧E,化ergyEfficiency)，已成为了当前移动通信研究领域的一个研究热点。近年来，通信 系统中节能传输得到越来越多的关注，绿色通信是通信发展的必然趋势，因而系统的能效 也成为衡量通信网络的重要性能指标之一。然而能效和谱效运两种度量指标并不总是一致 变化的，有时候甚至是相互对立的，片面追求其中一个指标将会造成另一指标的急速下降。 于是，两种指标间的平衡和折衷，从而实现联合优化成为一个热点问题。
【发明内容】
阳〇化]本发明的目的是提供一种LTE系统能效谱效联合优化的功率分配方法。通过先优 化总发射功率后对分配给各用户功率进行优化的方法获得最优用户功率分配，实现能效谱 效合理的联合优化。
[0006] 本发明的技术方案为：能效和谱效并不是一直同时增大或减小的，而是在一定区 间内谱效的增大会带来能效的急剧下降，因此并不能同时获得两者的最大值，而是应该进 行能效和谱效的折衷，W实现能效和谱效的联合优化。
[0007] 定义能效和谱效联合优化的代价函数：
[1]
[0009] 其中nSE和nEE分别表示系统的谱效和能效，總口;;?，0表示加权系数，尴 和姑^用于将谱效和能效他为相同数量级，0表示能效的相对权重。0取值 由运营商根据网络运行情况自行决定。
[0010] 能效和谱效的联合优化问题为：
[2]
[0011]maxnSEEE
[0013] 其中p。表示第n个用户分配的功率，Pm。、表示运营商允许的最大发射功率。因此， 能效和谱效的联合优化问题是在给定的功率约束的条件下，对发射功率及其在各用户间的 分配进行优化，从而实现能效和谱效的联合优化。
[0014] 主要步骤包括：
[0015] 1)步骤一：寻找用户速率下界，对用户速率进行近似
[0016] 在LTE系统中，用户都会收到来自其它小区相同频段用户的干扰，用户功率分配 问题成为了非凸NP(Non-dete;rministicPolynomial)难问题，只能通过暴力求解。为了降 低问题的复杂度，用速率下界近似用户速率，从而简化用户速率与其他用户间功率的关系。 通过对数近似，可得到小区i中第n个用户的速率下界：
[0017] 皆差巧>(5/脯直)卡竣 阿 阳0化]其中，
[4]
[0020] /，'.. =In(1 + '
[0021]小\S!NR'"二S!NR'"时，用户速率与式巧]中获得的下界近似相等。用迭代的方法 不断调整用户功率分配，其中57.'\'/?:,为小区1中第11个用户的信干噪比61^，51旨11曰1*〇 Inte计erenceplusNoiseRatio)，57.~7?,;为小区i中第n个用户上次迭代得到最优功率 分配后用户的信干噪比，初次迭代求解时S/;V巧为小区i中第n个用户根据初始功率分配 后用户的信干噪比。当用户功率分配迭代至收敛时，最后一次迭代与上次迭代获得的用户 信干噪比近似相等，用户速率也与式巧]中的下界近似相等。
[0022] 2)步骤二：用梯度法更新基站发射功率
[0023] 提为小区i中第n个用户的功率，祕'为小区i中第n个用户收到来自小区m的信 道冲激响应，通过变换巧,=in知，小区i中第n个用户的速率可表示为：
巧 阳02引其中，
阀
[0027] 由式閒可知，用户速率是功率指数和的对数值，因此心是先增后减的拟凹函数。 当基站总发射功率一定时，调整功率分配P=(江...，兴〇下获得的最大系统速率为护(Pt)。对
[7] 护(Pt)求导：
[0029] 由式[7]可知，护(Pt)对发射功率是先增后减的函数。用Pt似表示第k次迭代中 获得的发射功率，t表示更新步长，具体取值由运营商根据网络情况决定。因此基站最佳发 射功率可W通过梯度法获得：
W
[0031] 3)步骤S:用拉格朗日对偶法分配用户功率。
[0032] 通过步骤二获得基站总发射功率后，各用户功率可通过拉格朗日对偶法求解。此 时的拉格朗日方程可写成：
阀
[0034] 其中，y= (iii，ii2, ^3，...，为拉格朗日乘子，M为系统中小区的个数，N为 每个小区中用户的数量，简化标记用Pt代替PtOO表示第k次迭代基站总发射功率。e为 足够小的阔值，取值由运营商根据网络运行情况自行决定。
[0035] 根据拉格朗日对偶方法，问题[9]可W分解为拉格朗日对偶问题>2卢(口)和拉格朗 日对偶函数：
[0036] (/(H)二m,严L(p，p) [10]
[0037] 通过变换揉=也提，式[6]通过求导获得第k次迭代最佳用户功率分配：
[H]
[0039]其中，
[12]
[0041] 货为小区m中第n个用户收到的干扰信号强度。 阳0创 4)步骤四：迭代判断
[00创步骤S求出第k次迭代最优功率分配后，判断功率分配P=(片，…，妨）是否收敛。当 功率分配没有收敛，返回步骤一进行下一次迭代；当功率分配收敛时迭代结束，此时的功率 分配即为最优的用户功率分配。
[0044] 本发明的技术方案具有W下有益效果：本发明建立了谱效和能效的联合优化问 题，给出了一种能实现谱效和能效联合优化的功率分配方法。
[0045] 本发明具有如下优点：
[0046] 1.给出了一种能实现谱效和能效联合优化的有效、快速的功率分配方法，避免了 暴力求解方法带来的复杂度。
[0047] 2.运营商可W通过调节加权系数，灵活配置谱效和能效之间的比重，从而实现能 效和谱效的折衷。
【具体实施方式】
[0048] 下面对本发明在无线网络中功率分配的实施方式作进一步介绍。
[0049] (1)基站初始化用户功率分配，运营商可根据实际情况选择进行分配。通过式 巧]、式[4]获得用户速率下界。
[0050] 似基站根据运营商选定的加权系数和用户速率下界，计算代价函数（式山）关 于总发射功率的导数，通过梯度法式[引更新总发射功率。
[0051] (3)基站根据式[11]对用户进行功率分配。
[0052] (4)如果功率分配结果与上次功率分配结果的平方范数大于口限值，则通过式 巧]、式[4]更新用户速率下界并返回（2);否则即完成了谱效、能效折衷时最优功率分配。 口限值由运营商根据具体网络情况选择。
【主权项】
1. 一种无线网络能效谱效联合优化的功率分配方法，所述方法进行能效和谱效的折 衷，以实现能效和谱效的联合优化，具体为： 定义能效和谱效联合优化的代价函数：其中nSE和η EE分别表示系统的谱效和能效，表示加权系数，用于将谱效和能效化为相同数量级，β表示能效的相对权重。取值由 运营商根据网络运行情况自行决定； 能效和谱效的联合优化问题为：其中Pn表示第η个用户分配的功率，P _表示运营商允许的最大发射功率。2. 根据权利要求1所述的无线网络能效谱效联合优化的功率分配方法，其主要步骤包 括： 1) 步骤一：寻找用户速率下界，对用户速率进行近似 用速率下界近似用户速率，通过对数近似，可得到小区i中第η个用户的速率下界：，用户速率与式[3]中获得的下界近似相等；用迭代的方法不断调 整用户功率分配，其中57八1?,丨为小区i中第η个用户的信干噪比第η个用户上次迭代得到最优功率分配后用户的信干噪比，初次迭代求解时i中第η个用户根据初始功率分配后用户的信干噪比；当用户功率分配迭代至收敛时，最后 一次迭代与上次迭代获得的用户信干噪比近似相等，用户速率也与式[3]中的下界近似相 等； 2) 步骤二：用梯度法更新基站发射功率 S为小区i中第η个用户的功率，贫"为小区i中第η个用户收到来自小区m的信道冲 激响应，通过变换小区i中第η个用户的速率可表示为：其中，由式[5]可知，用户速率是功率指数和的对数值，因此r:是先增后减的拟凹函数；当基 站总发射功率一定时，调整功率分配P=U1…，下获得的最大系统速率为If (Pt);对IT(Pt) 求导：C(Pt)对发射功率是先增后减的函数；用PT(k)表示第k次迭代中获得的发射功率，t 表示更新步长，具体取值由运营商根据网络情况决定；因此基站最佳发射功率可以通过梯 度法获得：3) 步骤三：用拉格朗日对偶法分配用户功率 通过步骤二获得基站总发射功率后，各用户功率可通过拉格朗日对偶法求解，此时的 拉格朗日方程可写成：其中，μ = (μ1; μ 2, μ 3，...，μ N)为拉格朗日乘子，M为系统中小区的个数，N为每个 小区中用户的数量，简化标记用Pt代替PT(k)表示第k次迭代基站总发射功率，ε为足够 小的阈值，取值由运营商根据网络运行情况自行决定； 根据拉格朗日对偶方法，问题[9]可以分解为拉格朗日对偶问题$4^和拉格朗日对 偶函数：通过变换1? = ，式[6]通过求导获得第k次迭代最佳用户功率分配：if为小区m中第η个用户收到的干扰信号强度； 4) 步骤四：迭代判断 步骤三求出第k次迭代最优功率分配后，判断功率分配P = 是否收敛；当功率 分配没有收敛，返回步骤一进行下一次迭代；当功率分配收敛时迭代结束，此时的功率分配 即为最优的用户功率分配。
【专利摘要】本发明公开了一种无线网络能效谱效联合优化的功率分配方法，包括定义一种能效和谱效联合优化的代价函数，通过对代价函数的迭代求解获得能效、谱效的折衷。在每次迭代中，先寻找用户速率的下限来近似用户速率，再通过梯度法更新基站最佳总发射功率，最后利用拉格朗日对偶的方法对用户功率进行分配。当用户功率收敛时，迭代结束并获得最佳用户功率分配。本发明给出了一种能实现谱效和能效联合优化的有效、快速的功率分配方法，避免了暴力求解方法带来的复杂度。同时，运营商可以通过调节加权系数，灵活配置谱效和能效之间的比重，从而实现能效和谱效的折衷。
【IPC分类】H04W52/26
【公开号】CN105188125
【申请号】CN201510475281
【发明人】潘志文, 聂阳宁, 刘楠, 尤肖虎
【申请人】东南大学
【公开日】2015年12月23日
【申请日】2015年8月5日