发射机的功率放大器功率转换系 数，β-所有基站的固定电路功率消耗，r。一系统要求的最小频谱效率值，λ-拉格朗日乘 子。
[0056] 本发明提出了一种基于满自由度传输协议的三小区多用户联合功率分配方法，旨 在使多小区系统获得最大的能效性能。三个小区通过共享用户信道状态信息，直接通过闭 合形式解求得各小区基站对各小区内用户的最优发射功率值，从而达到整个系统的能效最 大值。该算法不需要多层交替迭代过程，大大地降低了复杂度。
【附图说明】
[0057] 图1为本发明方法的系统模型；
[0058] 图2为本发明算法基本流程图；
[0059] 图3为在不同的功率消耗模型参数下，本专利所提出的功率分配方法所达到的能 效性能曲线；
[0060] 图4为在不同的功率消耗模型参数下，本专利所提出的功率分配方法所消耗的实 际功率性能曲线。
【具体实施方式】
[0061] 结合图2所示的算法流程图对本发明的基于满自由度传输协议的三小区多用户 联合功率分配方法作具体说明，包括如下步骤：
[0062] 1).三个小区的基站各自通过信道估计获取各自小区用户的信道系数，即A小区 基站获取gJP g 2, B小区基站获取&和g 4, C小区基站获取&和g 6，并且三个基站间共享这 些信道信息。同时，各小区基站设定对本小区用户的发射功率变量Pk (k = 1，2,…，6);
[0063] 2).建立以最大化系统能效为目标，以指定的最小系统频谱效率为约束，以各小 区基站对本小区用户的发射功率为变量的功率分配优化问题，如下，
[0066] 其中，r表示多小区系统的总频谱效率，
表示多小区系统的总功率 消耗。
[0067] 3).将步骤2)中的功率分配优化问题等价转化为如下的最小化问题，
[0070] 4).利用拉格朗日乘子法，可以得到步骤3)中优化问题对应的的拉格朗日函数f， 如下：
[0072] 5).利用Lambert W函数，求解得到三个小区的基站对本小区用户的最优发射功 率闭合解，如下：
[0074] 6).各小区基站按照三个时隙发射次序，分别以最优发射功率？1<传输信号。算法 结束。
[0075] 其中：Crf一加性高斯白噪声功率，α-任意基站发射机的功率放大器功率转换 系数，β-所有基站的固定电路功率消耗，r。一系统要求的最小频谱效率值，λ-拉格朗日 乘子，
为常量因子。
[0076] 图3给出了不同功率消耗模型参数下，最优功率分配方案所达到的系统能效值随 最小频谱效率约束r/变化的曲线。可以看到，最小频谱效率约束 r ^的不断增大，系统能效 值大多呈现出先增后减的趋势，即在频谱效率与能效之间存在一个折中值。这是由于为了 保证更高的频谱效率值，需要消耗更多的发射功率，而此时是以能效性能的损失为代价的。 图4给出了不同功率消耗模型参数下，最优功率分配方案所消耗的总功率随最小频谱效率 约束r/变化的曲线。可以看到，随着最小频谱效率约束r ^的增大，系统的总功率消耗值呈 现出快速增长的趋势，这是由于需要满足指定的最小频谱效率值，需要有一定的功率消耗 为基础。
【主权项】
1. 一种基于满自由度传输协议的Ξ小区多用户联合功率分配方法，其特征在于，所述 方法包括W下步骤： 1) .根据满自由度传输协议，Ξ个小区，即小区Α、小区Β和小区C，在Ξ个时隙内交替传 输对各自用户的数据信号，利用基于索引编码的拓扑干扰管理原理，获得系统的最大自由 度；假设Ξ个时隙内，基站到用户间的信道系数保持不变，且基站之间共享信道状态信息， 具体传输过程如下： 1.1).第1时隙，A小区基站和C小区基站同时分别向各自小区的1号用户发射信号， 即ai和C1，B小区基站不发射任何信号，则各用户在第1时隙内接收到的信号分别表示如 下： 用户曰1和用户bl的接收信号为。1= g讯+V1 用户a2和用户c2的接收f曰号为巧1=g2曰1+抗Ci+rii 用户b2和用户cl的接收信号为：Zi=g5C1+μ1 其中，Vi，ni和μ1表示第1时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布CN稱為)，gi表示A小区基站到本小区1号用户的信道系数，g2表示A小区基站到本小区 2号用户的信道系数，g5表示C小区基站到本小区1号用户的信道系数，g e表示C小区基站 到本小区2号用户的信道系数； 1. 2).第2时隙，A小区基站和B小区基站同时分别向各自小区的2号用户发射信号， 即曰2和b2,C小区基站不发射任何信号，则各用户在第2时隙内接收到的信号分别表示如 下： 用户曰1和用户bl的接收f曰号为：?二g1曰2+拓b2+V2 用户a2和用户c2的接收信号为巧2=g2曰2+山 用户b2和用户cl的接收f曰号为。2二g如+U2 其中，V,，ri2和μ2表示第2时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布 €Ν(0,式），g3表示Β小区基站到本小区1号用户的信道系数，g4表示Β小区基站到本小区 2号用户的信道系数； 1. 3).第3时隙，B小区基站向本小区1号用户发射信号bi，C小区基站向本小区2号 用户发射信号C2,A小区基站不发射任何信号，则各用户在第3时隙内接收到的信号分别表 示如下： 用户al和用户bl的接收信号为。3=g3bi+V3 用户a2和用户c2的接收f曰号为巧3二g6。2+〇3 用户b2和用户cl的接收信号为。3=gsC2+g山+μ3 其中，V3,ri3和μ3表示第3时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布C风化武); 2).A小区基站对本小区1号和2号用户的发射功率为Pi和Ρ2,Β小区基站对本小区1 号和2号用户的发射功率为P3和P4,C小区基站对本小区1号和2号用户的发射功率为pe 和Pe，则经过步骤1)中的传输过程后，各个用户终端的接收信噪比（SNR)分别为：3) .基于步骤2)中的接收信噪比，建立W最大化系统能效为目标，W指定的最小系统 频谱效率为约束，W所有小区基站的发射功率为变量的功率分配优化问题，如下：其中，r表示多小区系统的总频谱效率：表示多小区系统的总功率消 耗； 4) .将步骤3)中所述的功率分配优化问题等价转化为如下的最小化问题：5) .利用拉格朗日乘子法，可W得到步骤4)中优化问题对应的拉格朗日函数f，如下：6) .将f对化化=1，2,…，6)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下：7) .化简步骤6)中的等式，得到表达式，如下：8) .步骤7)中等式右侧是与k无关的，可W进一步简化得到表达式，如下：9) .从步骤8)中的等式可W得到任意功率变量Pk和P,的关系式，如下：10) .令9)中表达式右侧k=l，并代入7)中等式，化简后可W得到y康达式，如下：11) .为便于求解步骤11)中关于变量Pi的方程的闭合形式解，将步骤11)中等式化简， 可W得到如下表达式：12) .对步骤11)中的等式采用W2为底的指数运算，并化简得到如下表达式：其中，为常量因子； 13) .利用LambertW函数，可W直接求得Pi的闭合表达式如下：其中，W{·}表示LambertW函数，其定义为：关于变量X的方程Θ=ue"，则关于υ的解可W用LambertW函数表示，即《 =W终h 14) .将步骤13)中的表达式代入步骤9)中的等式，可W求得所有发射功率的闭合形式 最优解，如下：其中，如一加性高斯白噪声功率，α-任意基站发射机的功率放大器功率转换系数， 0 -所有基站的固定电路功率消耗，r。一系统要求的最小频谱效率值，λ-拉格朗日乘子。
【专利摘要】本发明公开了一种基于满自由度传输协议的三小区多用户联合功率分配方法。该通信系统由三个小区所组成，每个小区包含一个单天线基站和两个处于小区边缘的单天线用户终端，且相邻小区的边缘用户位置较近，如摘要附图中所示。该通信系统依照满自由度传输协议，在三个时隙内完成三个小区与各自用户终端的信号传输过程，时隙先后顺序如摘要附图所示。该功率分配方法是以最大化系统能效为目标，以指定的系统最小频谱效率为约束条件，建立了以各基站到各自用户的发射功率为变量的联合优化模型。由于原始优化问题的目标函数具有拟凸性，利用于拉格朗日乘子法将其进行转化，并借助于Lambert？W函数，得到各基站对各自用户的最优发射功率闭合形式解。
【IPC分类】H04W52/24, H04W52/38
【公开号】CN105246145
【申请号】CN201510613699
【发明人】李春国, 王毅, 杨绿溪, 王东明, 郑福春
【申请人】东南大学
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年9月23日