CN103096335A - 一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法 - Google Patents

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CN103096335A CN2012105721318A CN201210572131A CN103096335A CN 103096335 A CN103096335 A CN 103096335A CN 2012105721318 A CN2012105721318 A CN 2012105721318A CN 201210572131 A CN201210572131 A CN 201210572131A CN 103096335 A CN103096335 A CN 103096335A
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Abstract

本发明公开了一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，针对当前无线通信系统侧重于频谱效率的提升而较少关注相应的能量效率下降的缺点，首先通过分析无线通信系统的小区内干扰和小区间干扰，得到关于中继站数量和位置的频谱效率和能量效率表达式，构建频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，据此进行中继站优化部署，然后，依据业务流量进行基站和中继站联合休眠调度，最后，进行基站和中继站的优化频谱共享。本发明能应用于蜂窝中继网络中，通过平衡无线通信系统的频谱效率和能量效率，使通信系统降低能耗，提高系统吞吐量，满足节能减排和降低通信运营成本的要求。

Description

一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法
技术领域
本发明涉及无线通信技术，尤其是涉及一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法。 
背景技术
在蜂窝中继网络领域，国内外众多学者取得了大量技术成果。例如，Le等比较了多跳蜂窝网络不同架构的优缺点并且提出一种资源分配算法。Sydir等论述了在蜂窝网络中部署中继的情形，以及由此带来的经济效益和性能增益。Yu等研究了蜂窝中继网络的用户归属和负载均衡问题，提出了一种启发式的实用算法。Viswanathan等提出蜂窝中继网络下行链路的集中式传输调度方案，并且分析了吞吐量。Oyman等提出蜂窝中继网络下行链路的机会式用户调度方案和频率复用技术，并且分析了频谱效率。这些技术大多关注如何有效利用蜂窝中继网络中的频率、时间、空间等资源，最大限度地提高系统性能。部分技术涉及到能量效率，但是没有考虑频谱效率和能量效率的平衡。 
无线通信系统的频谱效率一直是国内外通信学界的研究热点，研究人员已经提出很多种能够提高频谱效率的技术，比如MIMO、OFDMA、协作多点传输、中继辅助传输、认知无线电等。MIMO、OFDMA、协作多点传输、中继辅助传输等技术在蜂窝网络中的应用已经得到广泛研究，但是将认知无线电和蜂窝网络结合的技术成果还不多。无线通信系统的能量效率研究最突出体现在能量受限的传感器网络中，人们已经提出非常多节能的传感器网络架构、算法和协议，例如分簇架构、节点休眠调度算法、节能的路由协议。另外能量效率问题在蜂窝网、无线网状网、无线局域网等其他无线通信系统中也有不少人研究。最近，无线通信系统能量效率方面的研究掀起了新一轮热潮。无线通信系统的频谱效率和能量效率的平衡问题最近有少数学者研究，但是相关的技术成果还很少。Xiong等深入探讨了采用OFDMA多址方式的下行链路的频谱效率和能量效率的平衡，在系统的吞吐量和用户的传输速率约束下最大化系统的能量效率，并且提出一种子载波和功率分配算法来达到频谱效率和能量效率的平衡。Onireti等针对理想的和实际的功率消耗模型，推导了上行链路协作多点传输的能量效率和频谱效率平衡的近似表达式，证明了协作多点传输比非协作传输更节能。Karray和Tran等分别分析了采用OFDMA多址方式的下行链路和使用分布式空时编码的双中继协作通信的频谱效率与能量效率。He等讨论了下行多用户分布式天线系统的频谱效率和能量效率平衡。Heliot等得到了MIMO瑞利衰落信道的频谱效率和能量效率平衡的更加精确的近似。从蜂窝网络的频谱效率和能量效率平衡来看，前期研究大多侧重于频谱效率的提升，忽略了为此消耗的能量以及相应的能量效率下降，难以满足节能减排以及通信运营商降低成本的要求。而能量效率方面的研究普遍追求能耗的降低，没有讨论频谱效率和能量效率的平衡。最近极少数研究考虑到频谱效率和能量效率的平衡，给出了平衡存在的条件并且提出了一些达到平衡的资源分配算法。但是，这些研究都没有考虑在蜂窝网络中部署中继站的情形，也没有提出在蜂窝中继网络中达到频谱效率和能量效率平衡的算法。 
发明内容
有鉴于此，为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，解决当前无线通信系统侧重于频谱效率的提升而较少关注相应的能量效率下降的缺点，平衡无线通信传输系统的频谱效率和能量效率。 
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下： 
一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，包括：
对系统的小区内干扰和小区间干扰进行分析，确定中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式，构建能在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率的频谱效率和能量效率平衡基本算法模型。
根据所述频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，进行中继站优化布署，确定中继站的数量和位置。 
根据业务流量进行基站和中继站联合休眠调度，控制各个基站和中继站的工作状态和休眠状态。 
进行基站和中继站优化频谱共享，在频谱共享的基础上，控制基站的发射功率和中继站的放大增益，保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率。 
中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式包括： 
与基站直接连接的用户接收到的信号强度为
Figure 958821DEST_PATH_IMAGE001
                        
中继站接收到的信号强度为
Figure 891005DEST_PATH_IMAGE002
                                 
其中
Figure 704240DEST_PATH_IMAGE003
是第
Figure 405480DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射功率，第
Figure 380389DEST_PATH_IMAGE004
个小区有一个基站，个中继站和个用户（
Figure 769279DEST_PATH_IMAGE007
），
Figure 915090DEST_PATH_IMAGE008
是第
Figure 821866DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射信号，
Figure 773641DEST_PATH_IMAGE009
是第
Figure 446544DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure 763255DEST_PATH_IMAGE010
个用户的信道系数，
Figure 157328DEST_PATH_IMAGE011
是第
Figure 850477DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure 443133DEST_PATH_IMAGE010
个用户的信道系数，
Figure 665166DEST_PATH_IMAGE011
是第
Figure 546535DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure 840113DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的信道系数，
Figure 490537DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 149052DEST_PATH_IMAGE014
都是均值为零、方差为
Figure 517716DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声；假设，对于所有的
Figure 57599DEST_PATH_IMAGE004
；
只考虑小区内干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号表示为
Figure 152594DEST_PATH_IMAGE017
                                        
其中
Figure 742975DEST_PATH_IMAGE018
是第
Figure 378356DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的放大增益，
Figure 3372DEST_PATH_IMAGE019
是第
Figure 3689DEST_PATH_IMAGE012
个中继站到和它连接的用户的信道系数，是均值为零、方差为
Figure 254859DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声，
Figure 731452DEST_PATH_IMAGE021
是第
Figure 902671DEST_PATH_IMAGE004
个小区相对于第个中继站的总干扰信号，方差为
Figure 444827DEST_PATH_IMAGE022
；
同时考虑小区内干扰和小区间干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号强度为
Figure 513277DEST_PATH_IMAGE023
                                         
其中是相邻小区相对于第
Figure 173246DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 954120DEST_PATH_IMAGE012
个中继站所连接用户的总干扰信号，方差为
Figure 142656DEST_PATH_IMAGE025
；
其中第个小区内，和基站直接连接的用户的接收信噪比按下式计算：
Figure 991980DEST_PATH_IMAGE026
                                       
第
Figure 514229DEST_PATH_IMAGE004
个小区内，未和基站直接相连的用户的接收信噪比按下式计算：
Figure 557271DEST_PATH_IMAGE027
所述的频谱效率和能量效率平衡基本算法模型为：
Figure 506772DEST_PATH_IMAGE028
                                            
其中是系统频谱效率的期望值，
Figure 390732DEST_PATH_IMAGE030
为系统频谱效率，为系统能量效率；
Figure 674263DEST_PATH_IMAGE032
 为系统的总吞吐量；
Figure 922841DEST_PATH_IMAGE033
为系统的总功率消耗，其中
Figure 583630DEST_PATH_IMAGE034
是每次信号传输的电路功耗；
为系统占用的总带宽，其中
Figure 155218DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 625514DEST_PATH_IMAGE004
个小区使用的频带宽度；
Figure 89993DEST_PATH_IMAGE037
  为第
Figure 227713DEST_PATH_IMAGE004
个小区的总吞吐量；
所述中继站优化布署包括：
(1)建立信道系数和中继站位置关系的数学模型；
(2)建立频谱效率、能量效率和中继站数量、位置之间的关系表达式为
Figure 424339DEST_PATH_IMAGE038
                                                   
Figure 647510DEST_PATH_IMAGE039
其中
Figure 853364DEST_PATH_IMAGE040
是第
Figure 845591DEST_PATH_IMAGE004
个小区内基站和第
Figure 541014DEST_PATH_IMAGE012
个中继站之间的距离，
Figure 985902DEST_PATH_IMAGE041
是第
Figure 729867DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 638917DEST_PATH_IMAGE012
个中继站和它所连接的用户之间的距离。
(3)采用一次性布署或者贪婪布署的方式进行中继站位置布署； 
上述一次性布置的方式包括：
采用穷举搜索的方法或采用粒子群优化算法，找到
Figure 442925DEST_PATH_IMAGE042
的优化值；
上述采用粒子群优化算法包括：
将所有中继站的集合看做一个粒子，其位置向量表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE043
，其中
Figure 843951DEST_PATH_IMAGE044
和
Figure 391607DEST_PATH_IMAGE045
分别是第
Figure 155163DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 395652DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的横坐标和纵坐标；
粒子群优化的状态更新过程如下：
              
Figure 900899DEST_PATH_IMAGE047
                                                                 
其中
Figure 518963DEST_PATH_IMAGE048
是二维的速度向量，
Figure 927423DEST_PATH_IMAGE049
表示第步迭代，
Figure 458078DEST_PATH_IMAGE050
和
Figure 399489DEST_PATH_IMAGE051
分别是自学习率和互学习率，
Figure 981780DEST_PATH_IMAGE052
是服从均匀分布的一个随机数，
Figure 172590DEST_PATH_IMAGE053
是某步迭代后
Figure 865740DEST_PATH_IMAGE054
的最优值，
Figure 396078DEST_PATH_IMAGE055
是迭代到目前为止
Figure 883691DEST_PATH_IMAGE054
的最优值，
Figure 765060DEST_PATH_IMAGE056
的初始值要取小的正值；
逐步迭代直到
Figure 58638DEST_PATH_IMAGE057
不再增加，在迭代的过程中检验参数值是否满足
Figure 709062DEST_PATH_IMAGE058
的约束条件，当不满足时，对
Figure 367576DEST_PATH_IMAGE056
进行修正。在允许的
Figure 470662DEST_PATH_IMAGE005
值范围内，对每个
Figure 505614DEST_PATH_IMAGE005
值都执行一次粒子群优化算法，然后比较得到全局最优的中继站数量和位置。
上述贪婪部署的方式包括： 
从其中一个小区开始逐个加入中继站，第一个中继站部署时，根据所述频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，以及保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率的准则，确定其与小区内每一个用户连接时的最优位置，然后进行比较，确定它应该连接的用户和位置，后续中继站在前面已部署中继站的基础上，与剩余的各个用户连接，按同样的方式分别确定其应该连接的用户和位置，其他小区的中继站的部署依此类推，依次完成各个小区的中继站部署。
上述基站和中继站联合休眠调度步骤包括： 
(1)将业务流量的时空分布特征表示为
Figure 72861DEST_PATH_IMAGE059
，其中
Figure 902277DEST_PATH_IMAGE060
表示时刻，当时，表示第
Figure 331301DEST_PATH_IMAGE004
个小区在时刻有业务到达，当
Figure 750443DEST_PATH_IMAGE062
时，表示第个小区在时刻
Figure 204875DEST_PATH_IMAGE060
没有业务到达；
(2)采用分级博弈论方法进行基站和中继站联合休眠调度，先让中继站全部处于工作状态，通过博弈确定每个小区的基站是处于工作状态还是处于休眠状态，确定每个小区基站的状态以后，再通过博弈确定其附属中继站是处于工作状态还是处于休眠状态。
上述采用分级博弈论方法进行基站和中继站联合休眠调度包括： 
(1)采用博弈论方法，构建基站休眠调度算法模型，对基站进行休眠调度：
(1.1)按系统频谱效率和基站的发射功率约束下最大化系统的效用的准则，构建如下数学模型：
Figure 481136DEST_PATH_IMAGE063
                           
其中
Figure 917933DEST_PATH_IMAGE064
是第
Figure 482907DEST_PATH_IMAGE004
个基站的最大发射功率，
Figure 397773DEST_PATH_IMAGE065
为系统的效用函数；
第
Figure 731802DEST_PATH_IMAGE004
个基站的效用函数为
Figure 136239DEST_PATH_IMAGE066
       ，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE067
是一个常数，是因第
Figure 110328DEST_PATH_IMAGE004
个基站能耗降低导致的其他基站能耗增加之和，
(1.2) 建立基站Bertrand模型，各基站通过协商和竞争来达到Nash均衡：
所有基站的策略集合记为
Figure 361181DEST_PATH_IMAGE069
，除第
Figure 139781DEST_PATH_IMAGE004
个基站以外其他基站采取的策略的集合记为 ，第个基站的最佳响应函数表示为
Figure 41375DEST_PATH_IMAGE071
    
当且仅当
Figure 990877DEST_PATH_IMAGE072
时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为
Figure 752159DEST_PATH_IMAGE073
，其中
Figure 812519DEST_PATH_IMAGE074
是第
Figure 972717DEST_PATH_IMAGE075
个基站的最佳响应集合，
Figure 93120DEST_PATH_IMAGE076
；
(1.3)在步骤(2.1)和(2.2构成的博弈论模型框架下，对基站进行休眠调度：首先，决定每个基站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的基站的发射功率进行迭代更新，直到收敛为止。
(2)采用博弈论方法，构建中继站休眠调度算法模型，对中继站进行休眠调度： 
(2.1)按系统频谱效率和中继站的放大增益约束下最大化系统的效用的准则，构建如下数学模型：
Figure 404016DEST_PATH_IMAGE077
其中
Figure 268067DEST_PATH_IMAGE078
是中继站的最大放大增益，定义中继网络的效用函数为
Figure 285701DEST_PATH_IMAGE079
                       
其中
Figure 842584DEST_PATH_IMAGE080
是一个常数；
(2.2)建立中继站Bertrand模型，各中继站通过协商和竞争来达到Nash均衡：
    所有中继站的策略集合记为，除第
Figure 980622DEST_PATH_IMAGE004
个中继站以外其他中继站采取的策略的集合记为，当且仅当
Figure 111706DEST_PATH_IMAGE072
时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为
Figure 334877DEST_PATH_IMAGE073
，其中
Figure 337468DEST_PATH_IMAGE074
是第
Figure 64115DEST_PATH_IMAGE075
个基站的最佳响应集合，
Figure 962801DEST_PATH_IMAGE076
；
(2.3)在步骤(2.1)和(2.2)构成的博弈论模型框架下，对中继站进行休眠调度：首先，决定每个中继站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的中继站的放大增益进行迭代更新，直到收敛为止；
(3)根据业务流量的分布特征设定基站和中继站的动态休眠时间。
上述基站和中继站优化频谱共享步骤包括： 
(1)调节中继站的放大增益，以在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率，构建其数学模型为
Figure 204427DEST_PATH_IMAGE081
     
其中
Figure 213971DEST_PATH_IMAGE018
为中继站的放大增益，  
Figure 60704DEST_PATH_IMAGE082
   ，                           
在中继站同时发送数据的频谱共享方案中，对系统的总吞吐量和总功率消耗表达式进行变换，其中总吞吐量表达式为
Figure 864712DEST_PATH_IMAGE083
                
系统的总功率消耗表达式为
              其中
Figure DEST_PATH_IMAGE085
表示第
Figure 875711DEST_PATH_IMAGE004
个小区的基站的状态，
Figure 839600DEST_PATH_IMAGE086
表示基站处于工作状态，表示基站处于休眠状态，
Figure 17772DEST_PATH_IMAGE088
表示第个小区的第
Figure 850915DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的状态
Figure 406662DEST_PATH_IMAGE088
=1表示中继站处于工作状态，
Figure 818051DEST_PATH_IMAGE088
=0表示中继站处于休眠状态；
(2)利用
Figure 521565DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 145445DEST_PATH_IMAGE058
关于
Figure 86856DEST_PATH_IMAGE018
都具有准凸性，采用拉格朗日方法求得最优的放大增益值。
优选的，上述频谱共享采用中继站分批发送数据的方式，将每个小区内的中继站分为两组或以上，每个组分别确定其中继站的放大增益。 
优选的，上述中继站分为两组或以上，采用按中继站与基站之间的信道增益高低的启发式分组方法。 
本发明的有益效果： 
(1)本发明能应用于蜂窝中继网络中。
(2)本发明能使通信系统降低能耗，提高系统吞吐量。 
(3)本发明能够通信系统的频谱效率和能量效率，满足节能减排和降低通信运营成本的要求。 
附图说明
图1为蜂窝中继网络通信系统模型图； 
图2为本发明所述方法的操作流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的描述： 
如图1所示，我们考虑多小区、多中继站的蜂窝中继网络下行链路传输环境。图中三角形表示基站，圆柱形表示中继站，圆形表示移动用户，线条表示链路。假设基站、中继站和用户都只有一根天线。不考虑基站之间以及基站和附属中继站之间的协作多点传输。每个用户可以直接和所在小区的基站相连，也可以通过所在小区的中继站和基站相连，但是最多只允许连接到一个中继站。每个中继站最多只允许连接一个用户。用户按照就近原则连接到中继站或者基站。只考虑两跳中继的情形，不考虑更多跳的中继协作。不同小区的中继站数目和用户数目可能不相等。每个中继站采用时分双工模式，接收来自基站的信号，然后将接收信号放大并将放大后的信号转发给用户。假设所有用户的接收信噪比都足够高，可以正确解调出信息。
该蜂窝中继网络一共有
Figure 200305DEST_PATH_IMAGE089
个小区。第
Figure 594378DEST_PATH_IMAGE004
个小区有一个基站，
Figure 21948DEST_PATH_IMAGE005
个中继站和
Figure 614603DEST_PATH_IMAGE006
个用户（）。下行链路的信号传输分为两个阶段。在第一阶段，每个小区的基站传送信号给和它直接相连的中继站以及用户。各小区使用不同的频带，基站同时传输不会造成相互干扰。在第二阶段，每个中继站放大接收到的信号并将放大后的信号转发给和它连接的用户。中继站使用同一频带传输，同时传输会引起相互干扰。 
对系统的小区内干扰和小区间干扰进行分析，可确定中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式如下： 
与基站直接连接的用户接收到的信号强度表示为
Figure 983585DEST_PATH_IMAGE001
                        
中继站接收到的信号强度表示为
                                 
其中
Figure 662008DEST_PATH_IMAGE003
是第
Figure 320522DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射功率，第
Figure 485924DEST_PATH_IMAGE004
个小区有一个基站，
Figure 520876DEST_PATH_IMAGE005
个中继站和
Figure 760228DEST_PATH_IMAGE006
个用户（
Figure 651960DEST_PATH_IMAGE007
），是第
Figure 835913DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射信号，
Figure 257667DEST_PATH_IMAGE009
是第
Figure 523564DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure 335662DEST_PATH_IMAGE010
个用户的信道系数，
Figure 774734DEST_PATH_IMAGE011
是第
Figure 254256DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第个用户的信道系数，
Figure 787186DEST_PATH_IMAGE011
是第
Figure 702052DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure 36082DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的信道系数，
Figure 643781DEST_PATH_IMAGE013
和
Figure 492788DEST_PATH_IMAGE014
都是均值为零、方差为
Figure 945766DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声；假设
Figure 399881DEST_PATH_IMAGE016
，对于所有的
Figure 975219DEST_PATH_IMAGE004
；
只考虑小区内干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号表示为
Figure 514785DEST_PATH_IMAGE017
                                        
其中
Figure 771454DEST_PATH_IMAGE018
是第个中继站的放大增益，
Figure 560735DEST_PATH_IMAGE019
是第
Figure 322018DEST_PATH_IMAGE012
个中继站到和它连接的用户的信道系数，是均值为零、方差为
Figure 342243DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声，是第
Figure 770612DEST_PATH_IMAGE004
个小区相对于第
Figure 369084DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的总干扰信号，方差为；
上述信号表示仅考虑了小区内干扰，但是没有考虑小区间干扰。如果考虑小区间干扰，未和基站直接相连的用户往往离基站较远，容易受到相邻小区的中继站发射信号干扰，而和基站直接连接的用户通常不会受到相邻小区的中继站发射信号干扰，因此，同时考虑小区内干扰和小区间干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号强度为
                                         
其中
Figure 148318DEST_PATH_IMAGE024
是相邻小区相对于第
Figure 347218DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 219359DEST_PATH_IMAGE012
个中继站所连接用户的总干扰信号，方差为；
其中第
Figure 701473DEST_PATH_IMAGE004
个小区内，和基站直接连接的用户的接收信噪比按下式计算：
Figure 172906DEST_PATH_IMAGE026
                                       
第个小区内，未和基站直接相连的用户的接收信噪比按下式计算：
Figure 329398DEST_PATH_IMAGE027
在上述确定的中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式的基础上，构建能在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率的频谱效率和能量效率平衡基本算法模型如下：
Figure 39865DEST_PATH_IMAGE028
                                            
其中
Figure 783830DEST_PATH_IMAGE029
是系统频谱效率的期望值，
Figure 427301DEST_PATH_IMAGE030
为系统频谱效率，
Figure 496888DEST_PATH_IMAGE031
为系统能量效率；
Figure 163493DEST_PATH_IMAGE032
 为系统的总吞吐量；
Figure 773465DEST_PATH_IMAGE033
为系统的总功率消耗，其中
Figure 740284DEST_PATH_IMAGE034
是每次信号传输的电路功耗；
Figure 449614DEST_PATH_IMAGE035
为系统占用的总带宽，其中
Figure 131744DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 279829DEST_PATH_IMAGE004
个小区使用的频带宽度；
Figure 835575DEST_PATH_IMAGE037
  为第
Figure 981385DEST_PATH_IMAGE004
个小区的总吞吐量；
如图2所示，在上述干扰分析和频谱效率和能量效率平衡基本算法模型的基础上，完成频谱效率和能量效率的优化操作，包括：
(a)进行中继站优化布署，确定中继站的数量和位置。
(b)根据业务流量进行基站和中继站联合休眠调度，控制各个基站和中继站的工作状态和休眠状态， 
(c)进行基站和中继站优化频谱共享，在频谱共享的基础上，控制基站的发射功率和中继站的放大增益，保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率。
下面分别简述。 
(一) 进行中继站优化布署，确定中继站的数量和位置，其步骤如下： 
(1) 用中继站与用户或基站的距离表达中继站位置，建立信道系数和中继站位置关系的数学模型，举例表示如下：
 
Figure 684899DEST_PATH_IMAGE090
 
其中
Figure 839937DEST_PATH_IMAGE091
是服从瑞利分布的随机变量（假设方差为1），
Figure 250190DEST_PATH_IMAGE092
是第
Figure 832481DEST_PATH_IMAGE004
个小区内的基站和第
Figure 23291DEST_PATH_IMAGE010
个用户之间的距离，
Figure 716440DEST_PATH_IMAGE093
是路径衰减系数。其它信道系数可以类似建模。这样我们就将所有链路的信道系数和距离关联起来。
(2)建立频谱效率、能量效率和中继站数量、位置之间的关系表达式为 
Figure 246779DEST_PATH_IMAGE038
                                                   
其中
Figure 412498DEST_PATH_IMAGE040
是第
Figure 643759DEST_PATH_IMAGE004
个小区内基站和第
Figure 90921DEST_PATH_IMAGE012
个中继站之间的距离，
Figure 749435DEST_PATH_IMAGE041
是第
Figure 118100DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 949790DEST_PATH_IMAGE012
个中继站和它所连接的用户之间的距离。
(3)采用一次性布署或者贪婪布署的方式进行中继站位置布署； 
上述一次性布置的方式包括：
采用穷举搜索的方法或采用粒子群优化算法，找到
Figure 454720DEST_PATH_IMAGE042
的优化值；
上述采用粒子群优化算法包括：
将所有中继站的集合看做一个粒子，其位置向量表示为
Figure 284136DEST_PATH_IMAGE094
，其中
Figure 671255DEST_PATH_IMAGE044
和分别是第个小区内第
Figure 931969DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的横坐标和纵坐标；
粒子群优化的状态更新过程如下：
Figure 6717DEST_PATH_IMAGE046
              
Figure 117892DEST_PATH_IMAGE047
                                                                 
其中
Figure 597415DEST_PATH_IMAGE048
是二维的速度向量，
Figure 830950DEST_PATH_IMAGE049
表示第
Figure 130345DEST_PATH_IMAGE049
步迭代，和分别是自学习率和互学习率，
Figure 49256DEST_PATH_IMAGE052
是服从均匀分布的一个随机数，
Figure 835947DEST_PATH_IMAGE053
是某步迭代后的最优值，
Figure 100630DEST_PATH_IMAGE055
是迭代到目前为止
Figure 20175DEST_PATH_IMAGE054
的最优值，为了避免部分中继站溢出小区覆盖范围，
Figure 635440DEST_PATH_IMAGE056
的初始值要取小的正值；
逐步迭代直到
Figure 111683DEST_PATH_IMAGE057
不再增加，在迭代的过程中检验参数值是否满足
Figure 168107DEST_PATH_IMAGE058
的约束条件，当不满足时，对
Figure 320871DEST_PATH_IMAGE056
进行修正。在允许的
Figure 347733DEST_PATH_IMAGE005
值范围内，对每个
Figure 408092DEST_PATH_IMAGE005
值都执行一次粒子群优化算法，然后比较得到全局最优的中继站数量和位置。
上述贪婪部署的方式包括： 
从其中一个小区开始逐个加入中继站，第一个中继站部署时，根据所述频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，以及保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率的准则，确定其与小区内每一个用户连接时的最优位置，然后进行比较，确定它应该连接的用户和位置，后续中继站在前面已部署中继站的基础上，与剩余的各个用户连接，按同样的方式分别确定其应该连接的用户和位置。由于我们考虑了小区间干扰，不同小区的中继站贪婪部署不能独立进行，必须依次完成各个小区的中继站贪婪部署。其他小区的中继站的部署依此类推，依次完成各个小区的中继站部署。
(二) 根据业务流量进行基站和中继站联合休眠调度，控制各个基站和中继站的工作状态和休眠状态。 
休眠状态是指其发射功率为零，工作状态是指在非零的设定的发射功率下工作，每个小区的业务流量是动态变化的，不需要基站和中继站一直处于工作状态，可以让它们间歇性地进入休眠状态以降低能耗。另外，如果只对基站进行休眠调度，当没有业务到达时中继站仍然处于工作状态，浪费了能量。为此，依据业务流量对基站和中继站进行联合休眠调度，其步骤如下： 
(1) 已有的研究结果表明网络业务流量具有自相似性和突发性，传统的泊松分布模型不再适用。休眠调度一方面需要判定节点什么时候休眠，另一方面需要判定节点休眠多长时间。基站之间以及每个小区的中继站之间必须协商以决定某个时刻是否进入休眠状态，而休眠时间长短则可以根据业务流量的时空分布特征进行预测，为此，将业务流量的时空分布特征表示为，其中
Figure 753940DEST_PATH_IMAGE060
表示时刻，当
Figure 736940DEST_PATH_IMAGE061
时，表示第
Figure 600991DEST_PATH_IMAGE004
个小区在时刻
Figure 680942DEST_PATH_IMAGE060
有业务到达，当
Figure 706667DEST_PATH_IMAGE062
时，表示第个小区在时刻
Figure 907021DEST_PATH_IMAGE060
没有业务到达。
(2) 基站和中继站的联合休眠调度是个非常复杂的问题，因为基站之间以及基站和附属中继站之间都是相互关联的，属于既竞争又合作的关系。为此，采用分级博弈论方法进行基站和中继站联合休眠调度，先让中继站全部处于工作状态，通过博弈确定每个小区的基站是处于工作状态还是处于休眠状态，确定每个小区基站的状态以后，再通过博弈确定其附属中继站是处于工作状态还是处于休眠状态。 
基站博弈的准则是在系统频谱效率和基站的发射功率约束下最大化系统的效用，在此准则下，构建基站休眠调度算法模型，对基站进行休眠调度，构建的数学模型如下： 
Figure 779162DEST_PATH_IMAGE063
                           
其中是第
Figure 261276DEST_PATH_IMAGE004
个基站的最大发射功率，
Figure 464200DEST_PATH_IMAGE065
为系统的效用函数；
第
Figure 456427DEST_PATH_IMAGE004
个基站的效用函数为
Figure 886271DEST_PATH_IMAGE095
       ，
其中是一个常数，是因第
Figure 984174DEST_PATH_IMAGE004
个基站能耗降低导致的其他基站能耗增加之和，
建立基站Bertrand模型，每个基站被视为玩家，它们的策略是进入休眠状态（发射功率为零）或者处于工作状态（设定发射功率），收益是自身的能耗降低。所有基站都是自私的，都想降低自己的能耗。因此，各基站通过协商和竞争来达到Nash均衡。
所有基站的策略集合记为
Figure 788182DEST_PATH_IMAGE069
，除第
Figure 720366DEST_PATH_IMAGE004
个基站以外其他基站采取的策略的集合记为
Figure 330339DEST_PATH_IMAGE070
 ，第
Figure 765999DEST_PATH_IMAGE004
个基站通过观察其他基站的策略来调整自己的策略。第个基站的最佳响应函数表示为 
Figure 222705DEST_PATH_IMAGE071
    
当且仅当
Figure 308473DEST_PATH_IMAGE072
时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为，其中
Figure 337926DEST_PATH_IMAGE074
是第
Figure 979123DEST_PATH_IMAGE075
个基站的最佳响应集合，；
在前述步骤构成的博弈论模型框架下，对基站进行休眠调度：首先，决定每个基站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的基站的发射功率进行迭代更新，直到收敛为止。
同样，采用采用博弈论方法，中继站博弈的准则是在系统频谱效率和中继站的放大增益约束下最大化系统的效用，在此准则下，构建中继站休眠调度算法模型，对基站进行休眠调度，构建的数学模型如下： 
其中
Figure 923442DEST_PATH_IMAGE078
是中继站的最大放大增益，定义中继网络的效用函数为
Figure 317514DEST_PATH_IMAGE079
                       
其中
Figure 807402DEST_PATH_IMAGE080
是一个常数；
建立中继站Bertrand模型，各中继站通过协商和竞争来达到Nash均衡：
    所有中继站的策略集合记为，除第
Figure 622091DEST_PATH_IMAGE004
个中继站以外其他中继站采取的策略的集合记为
Figure 503459DEST_PATH_IMAGE070
，当且仅当
Figure 755228DEST_PATH_IMAGE072
时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为
Figure 405652DEST_PATH_IMAGE073
，其中是第
Figure 963990DEST_PATH_IMAGE075
个基站的最佳响应集合，；
在前述步骤构成的博弈论模型框架下，对中继站进行休眠调度：首先，决定每个中继站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的中继站的放大增益进行迭代更新，直到收敛为止。
由于业务流量是突发性的，采用固定休眠时间仍然会浪费能量。因此我们拟根据业务流量的分布特征设定动态的休眠时间。设在时刻
Figure 566189DEST_PATH_IMAGE096
某个基站或者中继站进入休眠状态，只要在时间段
Figure 395605DEST_PATH_IMAGE097
内业务到达的概率很小，它就一直休眠到时刻
Figure 782724DEST_PATH_IMAGE098
才被唤醒。业务到达的概率计算如下： 
Figure 621367DEST_PATH_IMAGE099
  
其中
Figure 980804DEST_PATH_IMAGE100
是业务流量的概率密度函数。
(三) 进行基站和中继站优化频谱共享，在频谱共享的基础上，控制基站的发射功率和中继站的放大增益，保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率。 
对基站和中继站进行联合休眠调度后，在某个时刻基站或者中继站可能处于工作状态，也可能进入休眠状态。如前述不同小区的基站使用不同的频带广播信号，但是一个小区内的中继站使用同一频带转发信号。这样就提出一个优化频谱共享问题：中继站如何共享频带，共享频带的中继站如何通过最优功率分配达到频谱效率和能量效率的平衡。第
Figure 246701DEST_PATH_IMAGE004
个小区使用的频段记为
Figure 121116DEST_PATH_IMAGE101
。第一阶段每个小区的基站广播信号时，基站独占该频段。第二阶段第
Figure 497870DEST_PATH_IMAGE004
个小区内所有处于工作状态的中继站共享该频段转发信号给用户。我们以第
Figure 711814DEST_PATH_IMAGE004
个小区为例，简述频谱共享方案。所有中继站可以同时发送数据，也可以分批发送数据，这样形成了两种频谱共享方案。前一种方案比较简单，而且是常用的，但是功率分配问题求解比较复杂；后一种方案缩小了功率分配的中继站子集，但是将中继站分批的问题很难求得最优解。 
包括下列步骤： 
(1)调节中继站的放大增益，以在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率，构建其数学模型为
Figure 945349DEST_PATH_IMAGE081
     
其中
Figure 244744DEST_PATH_IMAGE018
为中继站的放大增益，  
Figure 425189DEST_PATH_IMAGE082
   ，                           
在中继站同时发送数据的频谱共享方案中，对系统的总吞吐量和总功率消耗表达式进行变换，其中总吞吐量表达式为
Figure 555956DEST_PATH_IMAGE083
                
系统的总功率消耗表达式为
              其中
Figure 950346DEST_PATH_IMAGE085
表示第
Figure 731220DEST_PATH_IMAGE004
个小区的基站的状态，
Figure 654176DEST_PATH_IMAGE086
表示基站处于工作状态，
Figure 432777DEST_PATH_IMAGE087
表示基站处于休眠状态，
Figure 769080DEST_PATH_IMAGE088
表示第
Figure 22819DEST_PATH_IMAGE004
个小区的第
Figure 331441DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的状态
Figure 77680DEST_PATH_IMAGE088
=1表示中继站处于工作状态，
Figure 838963DEST_PATH_IMAGE088
=0表示中继站处于休眠状态；
(2)利用
Figure 899323DEST_PATH_IMAGE057
和
Figure 859188DEST_PATH_IMAGE058
关于
Figure 979591DEST_PATH_IMAGE018
都具有准凸性，采用拉格朗日方法求得最优的放大增益值。
作出目标函数
Figure 24907DEST_PATH_IMAGE102
，然后将目标函数分别对
Figure 888958DEST_PATH_IMAGE018
、
Figure 906593DEST_PATH_IMAGE103
和求一阶导数，即可求得最优的放大增益值。 
当中继站数目较多时，求导后的方程数目也较多，最优值的计算就比较复杂。为此，采用中继站分批发送数据的频谱共享方案，以缩小共享频带的中继站子集，将每个小区内的中继站分为两组或以上，每个组分别确定其中继站的放大增益。寻找最最优分组需要穷举搜索，当中继站数目较多时计算量很大。为此，可采用一种启发式的中继站分组方法，对所有中继站和基站之间的信道增益从高到低进行排序，按信道增益的高低对中继站进行分组。比如分成两组时，增益较高的中继站分在一组，而信道增益较低的中继站分在另一组。这种分组方法的现实依据是信道状况好的用户更能承受信道状况好的用户的干扰。对中继站分组以后，按上述方法调节中继站的放大增益法，最终确定各中继站的的最优功率分配。 
以上仅为通过优选实施例对本发明的主要原则和精神进行的陈述，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。 
  

Claims (9)

1.一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，包括：
对系统的小区内干扰和小区间干扰进行分析，确定中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式，构建能在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率的频谱效率和能量效率平衡基本算法模型；
根据所述频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，进行中继站优化部署，确定中继站的数量和位置。
2.根据权利要求1所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是还包括：
根据业务流量进行基站和中继站联合休眠调度，控制各个基站和中继站的工作状态和休眠状态。
3.根据权利要求2所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是还包括：
进行基站和中继站优化频谱共享，在频谱共享的基础上，控制基站的发射功率和中继站的放大增益，保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率。
4.根据权利要求1-3之一所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，所述的中继站数量、发射功率、放大增益、信道系数、干扰信号、接收信号的相互关系表达式包括：
与基站直接连接的用户接收到的信号强度为
Figure DEST_PATH_IMAGE001
                        
中继站接收到的信号强度为
Figure DEST_PATH_IMAGE002
                                 
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE003
是第
Figure DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射功率，第
Figure 477717DEST_PATH_IMAGE004
个小区有一个基站，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
个中继站和
Figure DEST_PATH_IMAGE006
个用户（
Figure DEST_PATH_IMAGE007
），是第
Figure 348721DEST_PATH_IMAGE004
个小区基站的发射信号，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
是第
Figure 689704DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第
Figure DEST_PATH_IMAGE010
个用户的信道系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE011
是第个小区内从基站到第
Figure 640659DEST_PATH_IMAGE010
个用户的信道系数，
Figure 843583DEST_PATH_IMAGE011
是第
Figure 570230DEST_PATH_IMAGE004
个小区内从基站到第个中继站的信道系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE013
和都是均值为零、方差为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声；，对于所有的
Figure 875441DEST_PATH_IMAGE004
；
只考虑小区内干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
                                        
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE018
是第
Figure 664537DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的放大增益，是第
Figure 80606DEST_PATH_IMAGE012
个中继站到和它连接的用户的信道系数，
Figure DEST_PATH_IMAGE020
是均值为零、方差为
Figure 658830DEST_PATH_IMAGE015
的加性高斯白噪声，
Figure DEST_PATH_IMAGE021
是第
Figure 728417DEST_PATH_IMAGE004
个小区相对于第
Figure 926180DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的总干扰信号，方差为
Figure DEST_PATH_IMAGE022
；
同时考虑小区内干扰和小区间干扰时，未和基站直接连接的用户接收到的信号强度为
Figure DEST_PATH_IMAGE023
                                         
其中是相邻小区相对于第个小区内第
Figure 847180DEST_PATH_IMAGE012
个中继站所连接用户的总干扰信号，方差为
Figure DEST_PATH_IMAGE025
；
其中第
Figure 290931DEST_PATH_IMAGE004
个小区内，和基站直接连接的用户的接收信噪比按下式计算：
                                       
第
Figure 585777DEST_PATH_IMAGE004
个小区内，未和基站直接相连的用户的接收信噪比按下式计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE027
所述的频谱效率和能量效率平衡基本算法模型为：
Figure DEST_PATH_IMAGE028
                                            
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE029
是期望达到的系统频谱效率值，为系统频谱效率，
Figure DEST_PATH_IMAGE031
为系统能量效率；
Figure DEST_PATH_IMAGE032
 为系统的总吞吐量；
Figure DEST_PATH_IMAGE033
为系统的总功率消耗，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE034
是每次信号传输的电路功耗；
Figure DEST_PATH_IMAGE035
为系统占用的总带宽，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE036
为第
Figure 497976DEST_PATH_IMAGE004
个小区使用的频带宽度；
  为第
Figure 584881DEST_PATH_IMAGE004
个小区的总吞吐量；
根据权利要求1-3之一所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，所述中继站优化布署包括：
(1)建立信道系数和中继站位置关系的数学模型；
(2)建立频谱效率、能量效率和中继站数量、位置之间的关系表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE038
                                                   
Figure DEST_PATH_IMAGE039
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE040
是第个小区内基站和第个中继站之间的距离，
Figure DEST_PATH_IMAGE041
是第
Figure 930521DEST_PATH_IMAGE004
个小区内第
Figure 668670DEST_PATH_IMAGE012
个中继站和它所连接的用户之间的距离；
(3)采用一次性布署或者贪婪部署的方式进行中继站位置部署；
所述一次性部署的方式包括：
采用穷举搜索的方法或采用粒子群优化算法，找到
Figure DEST_PATH_IMAGE042
的优化值；
所述采用粒子群优化算法包括：
将所有中继站的集合看做一个粒子，其位置向量表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE044
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE045
和分别是第个小区内第
Figure 395765DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的横坐标和纵坐标；
粒子群优化的状态更新过程如下：
Figure DEST_PATH_IMAGE047
              
Figure DEST_PATH_IMAGE048
                                                                 
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE049
是二维的速度向量，
Figure DEST_PATH_IMAGE050
表示第
Figure 605028DEST_PATH_IMAGE050
步迭代，和
Figure DEST_PATH_IMAGE052
分别是自学习率和互学习率，是服从均匀分布的一个随机数，
Figure DEST_PATH_IMAGE054
是某步迭代后的最优值，
Figure DEST_PATH_IMAGE056
是迭代到目前为止
Figure 886099DEST_PATH_IMAGE055
的最优值，的初始值要取小的正值；
逐步迭代直到不再增加，在迭代的过程中检验参数值是否满足
Figure DEST_PATH_IMAGE059
的约束条件，当不满足时，对进行修正；在允许的值范围内，对每个
Figure 93199DEST_PATH_IMAGE005
值都执行一次粒子群优化算法，然后比较得到全局最优的中继站数量和位置；
所述贪婪部署的方式包括：
从其中一个小区开始逐个加入中继站，第一个中继站部署时，根据所述频谱效率和能量效率平衡基本算法模型，以及保证系统频谱效率同时最大化系统能量效率的准则，确定其与小区内每一个用户连接时的最优位置，然后进行比较，确定它应该连接的用户和位置，后续中继站在前面已部署中继站的基础上，与剩余的各个用户连接，按同样的方式分别确定其应该连接的用户和位置，其他小区的中继站的部署依此类推，依次完成各个小区的中继站部署。
5.根据权利要求2或3之一所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，基站和中继站联合休眠调度步骤包括：
(1)将业务流量的时空分布特征表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE060
，其中
Figure DEST_PATH_IMAGE061
表示时刻，当
Figure DEST_PATH_IMAGE062
时，表示第
Figure 681306DEST_PATH_IMAGE004
个小区在时刻
Figure 136558DEST_PATH_IMAGE061
有业务到达，当时，表示第
Figure 974064DEST_PATH_IMAGE004
个小区在时刻
Figure 743437DEST_PATH_IMAGE061
没有业务到达；
(2)采用分级博弈论方法进行基站和中继站联合休眠调度，先让中继站全部处于工作状态，通过博弈确定每个小区的基站是处于工作状态还是处于休眠状态，确定每个小区基站的状态以后，再通过博弈确定其附属中继站是处于工作状态还是处于休眠状态。
6.根据权利要求5所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，所述采用分级博弈论方法进行基站和中继站联合休眠调度包括：
(1)采用博弈论方法，构建基站休眠调度算法模型，对基站进行休眠调度：
(1.1)按系统频谱效率和基站的发射功率约束下最大化系统的效用的准则，构建如下数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE064
                           
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE065
是第
Figure 982789DEST_PATH_IMAGE004
个基站的最大发射功率，为系统的效用函数；
第
Figure 77784DEST_PATH_IMAGE004
个基站的效用函数为
       ，
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE069
是一个常数，是因第
Figure 871427DEST_PATH_IMAGE004
个基站能耗降低导致的其他基站能耗增加之和，
(1.2) 建立基站Bertrand模型，各基站通过协商和竞争来达到Nash均衡：
所有基站的策略集合记为
Figure DEST_PATH_IMAGE071
，除第
Figure 913333DEST_PATH_IMAGE004
个基站以外其他基站采取的策略的集合记为
Figure DEST_PATH_IMAGE072
 ，第
Figure 535419DEST_PATH_IMAGE004
个基站的最佳响应函数表示为
Figure DEST_PATH_IMAGE073
    
当且仅当时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为
Figure DEST_PATH_IMAGE075
，其中是第
Figure DEST_PATH_IMAGE077
个基站的最佳响应集合，；
(1.3)在步骤(2.1)和(2.2构成的博弈论模型框架下，对基站进行休眠调度：首先，决定每个基站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的基站的发射功率进行迭代更新，直到收敛为止；
(2)采用博弈论方法，构建中继站休眠调度算法模型，对中继站进行休眠调度：
(2.1)按系统频谱效率和中继站的放大增益约束下最大化系统的效用的准则，构建如下数学模型：
Figure DEST_PATH_IMAGE079
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE080
是中继站的最大放大增益，定义中继网络的效用函数为
                       
其中
Figure DEST_PATH_IMAGE082
是一个常数；
(2.2)建立中继站Bertrand模型，各中继站通过协商和竞争来达到Nash均衡：
    所有中继站的策略集合记为
Figure 83207DEST_PATH_IMAGE071
，除第
Figure 895305DEST_PATH_IMAGE004
个中继站以外其他中继站采取的策略的集合记为
Figure 537639DEST_PATH_IMAGE072
，当且仅当
Figure 813899DEST_PATH_IMAGE074
时博弈达到Nash均衡，此时策略集合记为
Figure 250697DEST_PATH_IMAGE075
，其中
Figure 550091DEST_PATH_IMAGE076
是第个基站的最佳响应集合，
Figure 861304DEST_PATH_IMAGE078
；
(2.3)在步骤(2.1)和(2.2)构成的博弈论模型框架下，对中继站进行休眠调度：首先，决定每个中继站是进入休眠状态还是处于工作状态并且设定初始发射功率，然后，对处于工作状态的中继站的放大增益进行迭代更新，直到收敛为止；
(3)根据业务流量的分布特征设定基站和中继站的动态休眠时间。
7.根据权利要求3所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，基站和中继站优化频谱共享步骤包括：
(1)调节中继站的放大增益，以在保证系统频谱效率的同时最大化系统能量效率，构建其数学模型为
     
其中
Figure 672265DEST_PATH_IMAGE018
为中继站的放大增益，  
Figure DEST_PATH_IMAGE084
   ，                           
在中继站同时发送数据的频谱共享方案中，对系统的总吞吐量和总功率消耗表达式进行变换，其中总吞吐量表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE086
                
系统的总功率消耗表达式为
Figure DEST_PATH_IMAGE088
              其中
Figure DEST_PATH_IMAGE089
表示第
Figure 924867DEST_PATH_IMAGE004
个小区的基站的状态，
Figure DEST_PATH_IMAGE090
表示基站处于工作状态，
Figure DEST_PATH_IMAGE091
表示基站处于休眠状态，
Figure DEST_PATH_IMAGE092
表示第
Figure 581108DEST_PATH_IMAGE004
个小区的第
Figure 769643DEST_PATH_IMAGE012
个中继站的状态
Figure 548244DEST_PATH_IMAGE092
=1表示中继站处于工作状态，
Figure 884547DEST_PATH_IMAGE092
=0表示中继站处于休眠状态；
(2)利用和
Figure 246575DEST_PATH_IMAGE059
关于
Figure 196077DEST_PATH_IMAGE018
都具有准凸性，采用拉格朗日方法求得最优的放大增益值。
8.根据权利要求7所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，所述频谱共享采用中继站分批发送数据的方式，将每个小区内的中继站分为两组或以上，每个组分别确定其中继站的放大增益。
9.根据权利要求8所述的一种无线通信系统频谱效率和能量效率的优化方法，其特征是，所述中继站分为两组或以上，采用按中继站与基站之间的信道增益高低的启发式分组方法。
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