CN105827284B - 异构小区中的能效优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种异构小区中的能效优化方法，步骤为：(1)定义加权能效函数来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能量消耗的比值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵V_rk和预编码矩阵P_rk具有下凹性的优化目标函数；(2)对于步骤(1)中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和功率消耗比值达到最大，提高系统的性能。本发明可以应用到不同场景的无线覆盖网络中，对异构小区里的中继数和用户数均可进行扩展。

Description

异构小区中的能效优化方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及到一种多天线的异构小区下的能效优化方法。

背景技术

过去几十年间，人们对通信的发展重点关注了容量和误比特率，系统的能量消耗却鲜有研究。随着通信需求的大幅增加，学术界和工业界都开始关注起系统的能量消耗效率的问题。如何提高能量消耗效率(单位：比特每焦耳)将成为下一代无线通信系统中一个重要的话题。

发明内容

为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种异构小区中的能效优化方法，使得系统的数据速率和能量消耗比值达到最大，提高系统的性能。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

首先介绍异构小区，所述异构小区中心具有一个基站，K个中继散布在基站的周围以提高系统性能。小区中N个用户分为I型用户和II型用户，I型用户直接和基站通信，II型用户通过中继来通信。系统为多用户OFDMA系统，系统带宽B平均分配到N个子载波上，每个子载波都被一个用户占用，基站，中继及用户配有多根天线。

对于I型用户，第k个I型用户接收到的信号表示为：

Y_0k＝H_0kV_0kS_0k+n_0k (1)

其中：

下标0表示基站索引为0；

下标k表示基站0服务的第k个I型用户，这里k∈{1,2...,N₀}；

S_0k表示基站发送给第k个I型用户的符号向量；

V_0k表示基站对第k个I型用户的预编码矩阵；

H_0k表示基站到第k个I型用户的信道矩阵；

n_0k表示第k个I型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为其中表示第k个I型用户接收的噪声协方差，I_M表示阶数为M的方阵；

对于II型用户，采用2个时隙来传输有效信息：

在第1个时隙，中继处于接收状态，接收该小区基站给它的有效信息，第r中继接收到的用于发送给其服务的第k个用户的有效信息表示为：

X_rk＝G_rV_rkS_rk+w_r (2)

其中：

下标r表示中继索引为r；

下标k表示中继r服务的第k个II型用户，这里k∈{1,2...,N_r}；

S_rk表示对中继r服务的第k个II型用户的符号向量；

V_rk表示对中继r服务的第k个II型用户的发送矩阵；

G_r表示基站到第r个中继的信道矩阵；

w_r表示第r个中继接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为

在第2个时隙，中继处于发射状态，给目标用户发射有效信息，第r个中继服务的第k个用户接收到的信号表示为：

Y_rk＝H_rkP_rkR_rk+n_rk

＝H_rkP_rkG_rV_rkS_rk+H_rkP_rkw_r+n_rk (3)

r＝1,...,K,k＝1,...,N_r

其中：

下标r表示中继索引为r；

下标k表示中继r服务的第k个II型用户，这里k∈{1,2...,N_r}；

S_rk表示对中继r服务的第k个II型用户的符号向量；

V_rk表示对中继r服务的第k个II型用户的发送矩阵；

G_r表示基站到第r个中继的信道矩阵；

P_rk表示中继r对其服务的第k个II型用户的预编码矩阵；

H_rk表示中继r到其服务的第k个II型用户的信道矩阵；

w_r表示第r个中继接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为

n_rk表示中继r服务的第k个II型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为其中表示第k个I型用户接收的噪声协方差，I_M表示阶数为M的方阵；

第k个I型用户能够获得的数据速率可以表示为：

其中，I_M表示阶数为M的单位方阵；

H_0k表示基站到第k个I型用户的信道矩阵；

V_0k表示基站对第k个I型用户的预编码矩阵；

S_0k表示基站发送给第k个I型用户的符号向量，I_M表示M阶的单位方阵；

表示第k个基站用户的接收噪声协方差。

第r个中继服务的第k个II型用户能够获得的数据速率可以表示为：

其中：

I_M表示阶数为M的单位方阵；

H_rk表示中继r到其服务的第k个II型用户的信道矩阵；

P_rk表示中继r对其服务的第k个II型用户的预编码矩阵；

G_r表示基站到第r个中继的信道矩阵；

其中表示中继r服务的第k个II型用户接收的噪声的协方差，表示中继节点r上的噪声协方差，S_rk表示中继r发送给第k个用户的符号向量，I_M表示阶数为M的单位方阵。

基站的功率消耗表示为：

其中：

MP_c0表示基站和发送天线成正比例的功率消耗；

P_d0表示基站基带信号处理的静态功率消耗；这两个是常量，一般MP_c0设为35dBm，P_d0也设为35dBm。

第r个中继的功率消耗表示为：

其中：

MP_cr表示中继和发送天线成正比例的功率消耗；

P_dr表示中继基带信号处理的静态功率消耗；这两个是常量，一般MP_cr和P_dr设为35dBm。

下面为本发明采用的技术方案：

一种异构小区中的能效优化方法，其特征在于所述能效优化方法包括如下步骤：

(1)定义加权能效函数(WWE)来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能量消耗的比值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵V_rk和预编码矩阵P_rk具有下凹性的优化目标函数；

(2)对于步骤1中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和功率消耗比值达到最大，提高系统的性能；

所述步骤(1)中，定义的加权能效函数定义为系统可达数据速率和消耗能量的比值，实际系统中的接入点最大数据发送速率不一样，而且中间节点的最大发送功率也不一样，加权能效函数表示为：

其中：

K表示中继总数；

r表示中继编号，这里r∈{0,1,2...,K}，当r＝0时表示基站；

N_r表示第r个中继服务的用户数；

k表示用户编号，这里k∈{1,2...,N_r}；

R_rk表示第r个中继到第k个用户的最大传输速率，表达式见公式(5)；

γ_r表示第r个中继的数据速率权因子；

Γ₀表示基站消耗的功率，表达式见公式(6)；

Γ_r表示第r个中继消耗的功率，表达式见公式(7)；

β₀表示基站消耗功率的权因子；

β_r表示第r个中继消耗功率的权因子；

忽略中继上接收到的噪声，也就是则第r个中继上可获得的数据速率为：

(r＝1,...,K)

则优化后的加权能效函数表示为：

最大化加权能效函数的优化问题表示为：

其中：

P_Bmax表示基站支持的最大功率；

P_rmax表示中继r支持的最大功率。

所述步骤(2)中，分式规划可以将公式(10)中的优化目标等效表示为：

并且要满足θ₁＝θ₂。

所述步骤(2)中，两步迭代算法如下：

1)初始化设置误差范围e，设置最大迭代次数T_max。其中，P_Bmax表示基站支持的最高功率，P_rmax表示中继r支持的最高功率；

2)通过公式(11)计算

3)重复下面三个步骤直到或者n＝T_max

a.固定V_rk，求解公式(13)来获得P_rk的最优解；

b.固定P_rk，求解公式(12)来获得V_rk的最优解；

c.通过公式(11)更新n＝n+1。

所述步骤(2)中，利用两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵V_rk和到用户的预编码矩阵P_rk的次优解可以按照下列等式一一求出：

V_0k满足的等式为：

其中，表示基站的功率限制的拉格朗日乘数；

V_rk满足的等式为：

其中， 表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数；

P_rk的结果表示为：

其中，

本发明的有益效果是：本发明提供的能效优化方法定义了一种加权能效函数(WWE)来衡量异构小区中可达数据速率和能量消耗的比值。先对WWE函数简化，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步迭代算法，可以求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和能量消耗比值达到最大，提高系统的性能。

本发明考虑了异构小区下不同的发送模式，包括有中继的或者没有中继的，并且考虑了不同终端的优先级以及不同发送节点的发送功率限制。由于要优化的目标函数是非凸的，因此通过忽略中继节点上的接收噪声，来简化优化函数。然后通过两步迭代算法来获得次优解。对于单天线系统来说，这种迭代算法已经被证明是收敛的。

本发明方法能够计算出基站的发送矩阵以及中继的预编码矩阵，以使得异构小区下的加权能量效率比较高，提高系统的性能。仿真结果表明，不同的终端分布需要不同的网络拓扑结构。对于终端随机分布的网络，使用中继会提高系统的总的数据速率，但这是以系统的能量效率为代价的。对于有更多的热点的通信网络来说，中继可以用来同时提高系统数据速率和能量效率。

附图说明

图1为本发明方法II型用户第1时隙异构小区工作示意图；

图2为本发明方法II型用户第2时隙异构小区工作示意图；

图3为本发明方法单天线异构网络在不同中继数下的加权能量效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如附图1、2所示，考虑多天线单个异构小区的场景下，系统为OFDMA系统，使用16个子载波。小区中有1个基站，1个中继以及16个用户。基站和中继之间距离为400m。中继服务于4个用户，其他用户直接和基站通信。用户在小区中是随机分布的。系统的中心频率为2.4GHz。每一个基站，中继以及终端用户有两根天线。基站的最大发射功率P_Bmax＝40dBm，中继的最大发射功率为P_rmax＝37dBm,r＝1,...,k，每个中继天线上的发射功率设为MP_cr＝35dBm，基站的设为MP_c0＝35dBm。每个中继基带处理功率消耗设为P_dr＝35dBm，基站的设为P_d0＝35dBm。小区的半径设为700m。大尺度路径衰落为Lr＝20lgd+20lgf_c+32.4，其中，d是距离，f_c是系统的中心频率。每个终端用户上的噪声设为中继上的噪声设为

1)加权能效函数定义为系统可达数据速率和消耗能量的比值，实际系统中的接入点最大数据发送速率不一样，而且中间节点的最大发送功率也不一样，加权能量效率函数表示为：

其中：

r表示中继编号，r∈{0,1...,K}，当r＝0时表示基站，这里K＝1；

k为用户编号，k∈{1,2...,N_r}，这里N₀＝12,N₁＝4；

表示忽略中继r上接收到的噪声，第r个中继上可获得的最大数据速率，表达式为：

γ_r表示第r个中继的数据速率权因子，这里都设为1；

Γ₀表示基站消耗的功率，表达式为：

Γ_r表示第r个中继消耗的功率，表达式为：

β₀表示基站消耗功率的权因子，这里都设为1；

β_r表示第r个中继消耗功率的权因子，这里都设为1；

则优化目标函数的问题完整表示为：

2)将公式中的优化目标等效表示为：

并且要满足θ₁＝θ₂；

3)根据如下两步迭代算法，计算出次优的中继的发送矩阵V_rk和到用户的预编码矩阵P_rk：

(1)初始化设置误差范围e，设置最大迭代次数T_max；

(2)通过公式(11)计算

(3)重复下面三个步骤直到或者n＝T_max

a.固定V_rk，求解公式(13)来获得P_rk的最优解；

b.固定P_rk，求解公式(12)来获得V_rk的最优解；

c.通过公式(11)更新n＝n+1；

4)两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵V_rk和到用户的预编码矩阵P_rk的次优解可以按照下列等式一一求出。

V_0k满足的等式为：

其中，表示基站的功率限制的拉格朗日乘数；

V_rk满足的等式为：

其中， 表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数；

P_rk的结果表示为：

其中，

这样求得的基站端以及中继端的预编码矩阵可以使得系统的加权能量效率函数WEE达到最大值，使得系统的能量使用效率较高。在上述条件下，该能效优化方法可扩展到多个中继的情况，利用同样的方法，本发明还提供了中继数为0,1,2三种情况下的加权能量使用效率性能对比图。具体见附图3，其中横坐标SNR表示信噪比，纵坐标表示加权能量使用效率的最优值。可以得出结论小区中中继数量增加会降低系统的加权能量使用效率。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种异构小区中的能效优化方法，其特征在于：所述异构小区中心具有一个基站，K个中继散布在基站的周围以提高系统性能；小区中N个用户分为I型用户和II型用户，I型用户直接和基站通信，II型用户通过中继来通信；

该方法包括如下步骤：

(1)定义加权能效函数来衡量异构小区中可达数据速率和各节点加权的能量消耗的比值，并且通过忽略中继接收到的噪声项，简化优化目标，得到分别关于发送矩阵V_rk和预编码矩阵P_rk具有下凹性的优化目标函数；

其中，所述加权能效函数表示为：

上式中：

K表示中继总数；

r表示中继编号，这里r∈{0,1,2...,K}，当r＝0时表示基站；

N_r表示第r个中继服务的用户数；

k表示用户编号，这里k∈{1,2...,N_r}；

R_rk表示第r个中继到第k个用户的最大传输速率；

γ_r表示第r个中继的数据速率权因子；

Γ₀表示基站消耗的功率；

Γ_r表示第r个中继消耗的功率；

β₀表示基站消耗功率的权因子；

β_r表示第r个中继消耗功率的权因子；

(2)对于步骤(1)中的简化的优化目标函数，然后通过分式规划以及KKT条件，利用两步迭代算法来求出到中继和用户的预编码矩阵的次优解，从而可以使得系统的数据速率和功率消耗比值达到最大；所述步骤(1)中，简化优化目标的步骤为：忽略中继上接收到的噪声，也就是则第r个中继上可获得的数据速率为：

其中，H_rk表示中继r到其服务的第k个II型用户的信道矩阵；P_rk表示中继r对其服务的第k个II型用户的预编码矩阵；G_r表示基站到第r个中继的信道矩阵；V_rk表示对中继r服务的第k个II型用户的发送矩阵；n_rk表示中继r服务的第k个II型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为其中表示第k个I型用户接收的噪声协方差，I_M表示阶数为M的方阵；

则优化后的加权能效函数表示为：

最大化加权能效函数的优化问题表示为：

其中：

P_Bmax表示基站支持的最大功率；

P_rmax表示中继r支持的最大功率；

所述步骤(2)中，分式规划将优化后的加权能效函数的优化目标等效表示为：

并且要满足θ₁＝θ₂；所述步骤(2)中，两步迭代算法如下：

1)初始化设置误差范围e，设置最大迭代次数T_max；2)通过公式(11)计算

3)重复下面三个步骤直到或者n＝T_max

a.固定V_rk，求解公式(13)来获得P_rk的最优解；

b.固定P_rk，求解公式(12)来获得V_rk的最优解；

c.通过公式(11)更新所述步骤(2)中，利用两步迭代算法迭代过程中求出的中继的发送矩阵V_rk和到用户的预编码矩阵P_rk的次优解按照下列等式一一求出：

V_0k满足的等式为：

其中，表示基站的功率限制的拉格朗日乘数；H_0k表示基站到第k个I型用户的信道矩阵；V_0k表示基站对第k个I型用户的预编码矩阵；表示第k个基站用户的接收噪声协方差；n_0k表示第k个I型用户接收的零均值复圆形高斯噪声向量，其协方差矩阵为其中表示第k个I型用户接收的噪声协方差；

V_rk满足的等式为：

其中，A_rk＝H_rkP_rkG_r， 表示基站r的功率限制的拉格朗日乘数；

P_rk的结果表示为：

其中，