CN104301975B - 基于多点协作传输模式选择的网络节能方法 - Google Patents

基于多点协作传输模式选择的网络节能方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，首先定义系统的频谱效率和能耗函数，利用定义的函数分别构建最大化系统能效的目标函数。目标问题是一个非线性分数优化问题，先使用参数化方法将问题转化为一个等效问题，接着通过迭代算法获得最优的功率分配。最后，选择节能效果好的模式进行传输。采用本发明的多点协作传输模式选择方法，能够提高网络整体能效。

Description

基于多点协作传输模式选择的网络节能方法
技术领域
本发明涉及一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，用于解决LTE(LongTerm Evolution)网络节能问题，属于无线通信网络中的网络技术领域。
背景技术
绿色无线电(green radio)的环保观念逐渐深入人心，如何有效降低无线通讯系统的能源消耗，达到节能效果是需要在未来通信中考虑的问题。无线通信中能量消耗的不断增加直接导致了二氧化碳排放量的增加，基站消耗了整个网络60％-80％的能量消耗。从运营商的角度来讲，降低能量消耗意味着实现较低的运营开支(OPEX，operatingexpenditure)。早在2009年就成立了移动VCE绿色无线电项目(Mobile Virtual Centre ofExcellence(VCE)Green Radio)，致力于研究如何在未来通信中降低无线网络的二氧化碳排放和运营开支，实现系统节能。
节能技术可分为以下三类：基站侧的节能，网络部署策略和使能技术。多点联合协作(CoMP，Coordinated multipoint)作为一种使能技术，通过基站间的联合协作可以有效地提高系统的频谱效率。根据不同的数据分享和信道状态信息反馈(CSI)策略，CoMP可以分为CoMP-JT和CoMP-CS两种传输模式。CoMP领域已进行了大量研究，毫无疑问CoMP技术能有效提高小区边缘用户容量。但是，高的系统容量不一定保证高的系统能效，因为存在信号处理和反馈引起的额外功率损耗。
CoMP场景下的节能技术主要包括小区关闭技术和系统资源的分配策略。目前相关文献研究了CoMP-JT模式基于能效的资源分配策略，但是，文章并未对CoMP-CS模式进行研究。也有文献通过研究CoMP-JT和CoMP-CS模式联合优化传输时间和传输功率可提高系统能效，文献将问题建模为最小化系统传输功率，系统能耗模型只考虑了传输功率损耗，没有考虑信号处理和反馈功率损耗。需要在考虑传输功率、信号处理和反馈功率损耗的情况下，选择能效高的CoMP模式传输来进一步的提高系统能效。
发明内容
结合现有方法的优点与不足，本发明的目的是提供一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，确定协作的模式并在保障用户服务质量需求的前提下优化该模式下基站的发射功率。采用本发明的多点协作传输模式选择方法，能够提高网络整体能效。
一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，其特征在于：首先定义系统的频谱效率和能耗函数，利用定义的函数构建最大化系统能效的目标函数。目标问题是一个非线性分数优化问题，先使用参数化方法将问题转化为一个等效问题，接着通过迭代算法获得最优的功率分配。最后，选择节能效果好的模式进行传输。
1多点协作传输模式选择的方法
在分析网络能效时，首先利用定义网络的能效函数，分别在CoMP-JT和CoMP-CS模式下通过优化基站发射功率获得较高的系统能效，然后选择节能效果好的模式进行传输。
2最大化系统能效目标问题建模
假设网络中参与联合协作的基站数量为N，向N个用户传输信息，所有收发器都配备单天线。用户进行单数据流传输，假设OFDM子载波的个数为K，OFDM符号的循环前缀长度大于或等于无线信道的多径时延扩展。基站b第k个子载波上发送给用户u的数据可表示为
其中，pb,u|JT[k]表示基站b在第k个子载波上给用户u的发射功率，su[k]表示用户u的发送符号。不考虑子载波间的干扰，下文统一忽略标号k，假设发送数据su按下式进行归一化，
用户u的接收信号为
其中，hb,u表示基站b到用户u的小尺度衰落信道信息，li,u表示基站b到用户u的路径损耗和阴影衰落，nu表示均值为零方差为N0的高斯白噪声。
系统采用CoMP-JT传输模式时，在能获得所以信道状态信息的情况下，用户u∈{1,...,N}能获得的最大频谱效率为
其中，表示用户u的接收信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)。
系统采用CoMP-CS传输模式时，用户u的SNR和达到的最大频谱效率为
CoMP系统中总的功率损耗除了传统非协作系统中的传输和信号处理功耗外，还包含反馈功率损耗，用和分别表示CoMP-JT和CoMP-CS系统的总体能耗
公式(8)和公式(9)的第一项表示功率放大器总的功率损耗，0＜ε≤1是常数，表示功率放大器的效率，第二项NPc表示系统内N个基站总的信号处理功率损耗，Pc是常数，包含滤波器、混合器、同步、数模转换等的功率损耗，第三项表示系统的反馈功率损耗，假设每条反馈链路的功率消耗是相同的，用PBH表示，NBH表示系统中的反馈链路数[1,2]。
分别定义多点协作两种传输模式下的系统能效：
其中Ω*表示选择的CoMP传输模式，在传输模式Ω∈{'JT','CS'}下的最优功率分配策略为b＝{1,2,...,N},u＝{1,2,...,N}。最大化系统能量效率的问题(P1)可描述为
其中，表示基站的最大发射功率，表示用户u的最低保障速率。
目标函数不是一个凸优化问题，对其求解采用Dinkelbach参数化方法将其转为为一个非分数的优化问题，网络节能方法的流程如下：
1)按照公式(10)分别计算CoMP-JT模式和CoMP-CS下的系统能效；
2)按照公式(11)构建最大化系统能效的目标问题，使用参数化方法将该非线性分数优化问题转化为一个等效问题，通过迭代算法获得最优的功率分配；
3)选择节能效果好的模式进行传输。
本发明依据所定义的网络能效函数，不仅考虑了传输功率损耗，也考虑信号处理和反馈功率损耗，同时研究了多点协作两种传输模式下的功率分配算法，给出了一种新的多点协作传输模式选择算法，并进行仿真验证，能更好的实现网络节能。
基于本发明的多点协作传输模式选择方法具有如下优点：
本发明以最大化系统整体能效为目标函数进行协作传输模式的选择，相比传统的非协作网络，或固定的协作传输方式性能更优，节能效果好。
本发明的网络传输模式选择流程，保证用户的最低速率，避免为了单纯提高系统能效而使用户速率过低的情况。
本发明的多点协作模式选择流程，考虑了系统的反馈功耗对能效的影响，使用迭代算法对功率分配进行求解，计算量相比穷举法大大降低，根据仿真分析，性能接近穷举算法。
附图说明
图1为本发明实施例的多点协作网络示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，其特征在于：首先定义系统的频谱效率和能耗函数，利用定义的函数构建最大化系统能效的目标函数。目标问题是一个非线性分数优化问题，先使用参数化方法将问题转化为一个等效问题，接着通过迭代算法获得最优的功率分配。最后，选择节能效果好的模式进行传输。
1多点协作传输模式选择的方法
在分析网络能效时，首先利用定义网络的能效函数，分别在CoMP-JT和CoMP-CS模式下通过优化基站发射功率获得较高的系统能效，然后选择节能效果好的模式进行传输。
2最大化系统能效目标问题建模
假设网络中参与联合协作的基站数量为N，向N个用户传输信息，所有收发器都配备单天线。用户进行单数据流传输，假设OFDM子载波的个数为K，OFDM符号的循环前缀长度大于或等于无线信道的多径时延扩展。基站b第k个子载波上发送给用户u的数据可表示为
其中，pb,u|JT[k]表示基站b在第k个子载波上给用户u的发射功率，su[k]表示用户u的发送符号。不考虑子载波间的干扰，下文统一忽略标号k，假设发送数据su按下式进行归一化，
用户u的接收信号为
其中，hb,u表示基站b到用户u的小尺度衰落信道信息，li,u表示基站b到用户u的路径损耗和阴影衰落，nu表示均值为零方差为N0的高斯白噪声。
系统采用CoMP-JT传输模式时，在能获得所以信道状态信息的情况下，用户u∈{1,...,N}能获得的最大频谱效率为
其中，表示用户u的接收信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)。
系统采用CoMP-CS传输模式时，基站b给用户u的发射功率为pb,u|CS，可能的基站用户配对集合为Ψ(i)＝{φi,1,φi,2,...,φi,N},i＝{1,2,...,NN}.其中i表示集合索引，φi,u表示用户u的服务基站。通过穷搜法来找到具有最优信道状态的基站用户配对集合用户u的SNR和达到的最大频谱效率为
CoMP系统中总的功率损耗除了传统非协作系统中的传输和信号处理功耗外，还包含反馈功率损耗，用和分别表示CoMP-JT和CoMP-CS系统的总体能耗
公式(8)和公式(9)的第一项表示功率放大器总的功率损耗，0＜ε≤1是常数，表示功率放大器的效率。第二项NPc表示系统内N个基站总的信号处理功率损耗，Pc是常数，包含滤波器、混合器、同步、数模转换等的功率损耗。第三项表示系统的反馈功率损耗，假设每条反馈链路的功率消耗是相同的，用PBH表示。NBH表示系统中的反馈链路数。
系统能效为
用Ω*表示选择的CoMP传输模式，在传输模式Ω∈{'JT','CS'}下的最优功率分配策略为b＝{1,2,...,N},u＝{1,2,...,N}。最大化系统能量效率的问题(P1)可描述为
其中，表示基站的最大发射功率，表示用户u的最低保障速率。
3目标问题求解流程
目标问题(P1)，如公式(11)所示，在形式上是两个函数的比值，不是一个凸优化问题，参考Dinkelbach参数化方法将目标问题(P1)转化为以下非分数优化问题
其中，Υ是一个常数，找到满足以下要求的Υ*
与求解目标问题(P1)等效。对等效问题(P2)可以通过以下步骤求解：
1)初始化Υ(1)＝0，t为迭代次数，最大迭代次数Tmax＝10和最大容忍误差
2)对于t＝1:Tmax，在给定的Υ(t)求解p(t)；
3)如果p*＝p(t),Υ*＝Υ(t),c＝1，迭代结束；
4)否则，返回2)继续迭代，c＝0；
5)结束迭代，如果c＝0，则
4等效问题求解过程
分别对CoMP-JT和CoMP-CS传输模式进行等效问题(P2)的求解，首先构建等效问题的拉格朗日函数，接着对其求导，可得到满足KKT条件的最优的功率分配。CoMP-JT模式下的功率分配为
CoMP-CS模式下的功率分配为
其中，λu,μb,ηu,θb是引入的拉格朗日因子
以如图1所示的多点协作网络为例，对基于多点协作传输模式选择的网络节能方法进行介绍，其步骤如下：
1)按照公式(10)计算CoMP-JT模式和CoMP-CS模式下的系统能效；
2)构建最大化系统能效的目标问题，使用参数化方法将该非线性分数优化问题转化为一个等效问题，通过迭代算法获得最优的功率分配；
3)初始化Υ(1)＝0，t为迭代次数，最大迭代次数Tmax＝10和最大容忍误差
4)对于t＝1:Tmax，在给定的Υ(t)根据公式(14)和公式(15)求解p(t)；
5)如果p*＝p(t),Υ*＝Υ(t),c＝1，迭代结束；
6)否则，返回4)继续迭代，c＝0；
7)结束迭代，如果c＝0，则
8)代入公式(10)分别计算两种模式下的系统能效，选择节能效果好的模式进行传输。

Claims (3)

1.一种基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，其特征在于：首先定义系统的频谱效率和能耗函数，利用定义的函数分别在两种多点协作传输模式下构建最大化系统能效的目标函数；目标问题是一个非线性分数优化问题，先使用参数化方法将问题转化为一个等效问题，接着通过迭代算法获得最优的功率分配；最后，选择节能效果好的模式进行传输；构建保障用户最低速率的最大化系统能效的目标函数：
分别定义多点协作两种传输模式下的系统能效：
用Ω*表示选择的CoMP传输模式，在传输模式Ω∈{'JT','CS'}下的最优功率分配策略为b＝{1,2,...,N},u＝{1,2,...,N}，最大化系统能量效率的问题(P1)描述为
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其中，表示基站的最大发射功率，表示用户u的最低保障速率。
2.如权利要求1所述的基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，其特征在于，系统的频谱效率和能耗函数的定义如下：
假设网络中参与联合协作的基站数量为N，向N个用户传输信息，所有收发器都配备单天线；用户进行单数据流传输，假设OFDM子载波的个数为K，OFDM符号的循环前缀长度大于或等于无线信道的多径时延扩展，基站b第k个子载波上发送给用户u的数据可表示为
<mrow> <msub> <mi>x</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>|</mo> <mi>J</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> </msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，pb,u|JT[k]表示基站b在第k个子载波上给用户u的发射功率，su[k]表示用户u的发送符号；不考虑子载波间的干扰，下文统一忽略标号k，假设发送数据su按下式进行归一化，
E{|su|2}＝1,for u＝{1,2,...,N} (2)
用户u的接收信号为
<mrow> <msub> <mi>y</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>b</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>h</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> </mrow> </msub> <msqrt> <mrow> <msub> <mi>p</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> <mo>|</mo> <mi>J</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>l</mi> <mrow> <mi>b</mi> <mo>,</mo> <mi>u</mi> </mrow> </msub> </mrow> </msqrt> <msub> <mi>s</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>u</mi> </msub> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>3</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，hb,u表示基站b到用户u的小尺度衰落信道信息，li,u表示基站b到用户u的路径损耗和阴影衰落，nu表示均值为零方差为N0的高斯白噪声；
系统采用CoMP-JT传输模式时，在能获得所以信道状态信息的情况下，用户u∈{1,...,N}能获得的最大频谱效率为
<mrow> <msubsup> <mi>SE</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mi>J</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msubsup> <mo>=</mo> <msub> <mi>log</mi> <mn>2</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>u</mi> <mrow> <mi>J</mi> <mi>T</mi> </mrow> </msubsup> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>4</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
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其中，表示用户u的接收信噪比(signal-to-noise ratio,SNR)；
系统采用CoMP-CS传输模式时，用户u的SNR和达到的最大频谱效率为
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其中，φi,u表示用户u的服务基站；
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CoMP系统中总的功率损耗除了传统非协作系统中的传输和信号处理功耗外，还包含反馈功率损耗，用和分别表示CoMP-JT和CoMP-CS系统的总体能耗
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公式(8)和公式(9)的第一项表示功率放大器总的功率损耗，0＜ε≤1是常数，表示功率放大器的效率，第二项NPc表示系统内N个基站总的信号处理功率损耗，Pc是常数，包含滤波器、混合器、同步、数模转换等的功率损耗，第三项表示系统的反馈功率损耗，假设每条反馈链路的功率消耗是相同的，用PBH表示，NBH表示系统中的反馈链路数。
3.如权利要求1所述的基于多点协作传输模式选择的网络节能方法，其特征在于，构建的目标函数不是一个凸优化问题，对其求解采用Dinkelbach参数化方法将其转为为一个非分数的优化问题，网络节能方法的流程如下：
1)按照公式(10)分别计算CoMP-JT模式和CoMP-CS下的系统能效；
2)按照公式(11)构建最大化系统能效的目标问题，使用参数化方法将该非线性分数优化问题转化为一个等效问题，通过迭代算法获得最优的功率分配；
3)选择节能效果好的模式进行传输。
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