CN106231666A - 分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，属于无线通信技术领域。该方法考虑分布式天线系统中的下行传输链路，得到能量效率函数，进而提出一种优化天线单元选择与子信道分配的方案，然后利用拉格朗日函数求得各子信道上的最优功率分配。本发明可有效实现天线单元与用户的最优分配，及子信道与天线单元的最优分配，同时在满足用户最小速率需求的条件下，满足天线单元的最大功率预算，最大化网络能效，从而达到节能减排的目的。

Description

分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，特别是分布式天线系统中的资源分配技术领域，涉及一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，无线通信技术快速发展，人们的生活变得日益丰富多彩，无线通信技术越来越在政治、经济、文化中扮演着不可或缺的角色，随之而来的是不断增长的手机用户和宽带用户对移动通信数据流量的需求越来越大，对通信服务质量的要求也越来越高；加之高清视频、大数据、云计算等的出现使得数据流量呈现海量式的增长，已有的移动通信技术已经不能满足通信业务需求，开发新一代的移动通信系统迫在眉睫，这给网络运营商带来了巨大的压力。为了提高网络的数据容量及服务质量，DAS(DistributedAntenna Systems，分布式天线系统)近年来受到工业界和学术界的广泛关注，由于CAS(Collocated Antenna Systems，集中式天线系统)受限于天线的尺寸和数量，不能够充分利用空间资源，而且会导致蜂窝网络小区边缘用户的信号质量很差。而分布式天线系统缩短了用户与网络接入点之间的距离，改善了无线信道的衰落情况；降低了无线信道之间的相关性，能够获得更高的空间分集增益，提高系统的容量，有效解决了数据流量的需求问题。

移动通信技术的进步带来了巨大的经济利益和社会效益，满足了人们的无线通信业务需求，但是移动数据流量的飞快增长，使得全球消耗的能源越来越多，排放了大量的温室气体，导致全球的环境问题变得越来越不容乐观。据报道，信息与通信技术部门每年排放的二氧化碳占全球的百分之二，消耗的电力占全世界的1.8％。为了减少能源消耗及保护环境，能量有效地通信系统网络设计引起了研究者的广泛关注，逐渐受到业界的重视。分布式天线系统中的DAU(Distributed Antenna Unit，分布式天线单元)分布在蜂窝内的不同位置，缩短了与用户的接入距离，能够减少发送功率，降低了能量消耗，如何优化天线单元与用户的链接，满足用户数据需求的同时，提高系统的能量效率是要解决的关键问题。

综上所述，分布式天线系统在增加网络容量的同时，也能减少网络的能量消耗，现有的分布式天线系统的研究，较为孤立地考虑天线系统中的天线单元选择、子信道及功率分配问题，未综合考虑多种因素的联合优化。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，该方法针对现有分布式天线系统中天线单元选择、子信道及功率分配存在的技术难题，综合考虑多种因素，优化系统的能量效率。在分布式天线系统中，分布在蜂窝内不同位置的天线单元在不同的子信道上给用户传输数据，首先建立系统的总数据速率函数和系统的总功率消耗函数，进而得到系统的能量效率函数，基于能效最优化准则，联合优化天线单元分配、子信道及功率分配。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，该方法包括以下步骤：

S1：不同位置下的天线单元使用正交子信道给用户传输数据，根据信道状态信息，用户对天线单元进行选择，天线单元对子信道进行选择，分别建立天线单元与用户的分配矩阵A和天线单元与正交子信道的分配矩阵B；

S2：根据所有用户的数据速率建立总速率函数R_tot(A,B,P)，P为天线单元在子信道上的功率分配矩阵；

S3：根据天线单元发送功率、电路功率及信号处理消耗的光纤功率确定联合总功率消耗函数P_tot(A,B,P)；

S4：建立系统的能量效率函数：

η_EE＝R_tot(A,B,P)/P_tot(A,B,P)，根据分数规划，将能量效率函数转换为等效的能效优化的线性表达式：U(A,B,P)＝R_tot(A,B,P)-η_EEP_tot(A,B,P)；

S5：基于能效最优化准则求解最优化的分配矩阵A和B及功率分配矩阵P，获得整个网络最优化能效值。

进一步，在步骤S1中，建立M×K的天线单元与用户的分配矩阵A，表达式为：

其中M为系统中的天线单元数，K为用户数，m＝1,2,…,M,k＝1,2,…,K，且M≥K，a_m,k为分配二元变量标识，a_m,k＝1时，天线单元m分配给了用户k，反之a_m,k＝0，且a_m,k满足条件：

表示每个天线单元只能分配给一个用户，一个用户最多分配的天线单元数为M-K+1，目的是保证每个用户都分配有一个天线单元；

所述子信道与天线单元的分配矩阵B为M×N矩阵，分配矩阵：

其中N为系统中的正交子信道的数量，

m＝1,2,…,M,n＝1,2,…,N，且N≥M，b_m,n为二元变量标识，b_m,n＝1时子信道n分配给了天线单元m，反之b_m,n＝0，子信道分配二元变量标识满足条件： 表示每个子信道最多分配给一个天线单元，N_m表示天线单元m最多分配的子信道数，且

进一步，在步骤S2中，所述建立的功率分配矩阵P是N个M×K矩阵，对于特定子信道n，分配矩阵p_m,n,k为天线单元m在子信道n上向用户k传输数据的发送功率，p_m,n,k＝0表示天线单元m没有和用户k通信。

进一步，在步骤S2中，分布式天线系统下行传输总数据速率函数为网络中所有用户的速率之和，r_k为单个用户k的速率，具体包括：

系统总数据速率函数R_tot(A,B,P)为系统中所有用户的数据速率之和，根据香农公式及天线单元m在子信道n上向用户k发送功率可得用户k的速率：

其中B_w为子信道的带宽，h_m,n,k为天线单元m在子信道n上用户k的链路信道增益，Γ为特定误码率要求的常量，为噪声功率，再根据公式计算系统的总数据速率。

进一步，在步骤S3中，分布式天线单元m在子信道n上给用户k的发送功率为p_m,n,k，可得所有天线单元给所有用户的发送总功率为其中τ为功率放大器的效率；天线单元消耗的电路总功率为Mp_o，p_o表示单个天线单元消耗的电路功率；各个天线单元通过光纤进行信息处理时消耗的总功率为p_f，系统的总功率消耗函数P_tot(A,B,P)为系统中的功率消耗之和，则整个系统消耗的总功率可表示为：

$P_{tot}(A,B,P)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\τp}}_{m,n,k}+{\mathrm{Mp}}_o+p_f.$

进一步，在步骤S4和S5中，在传输过程中用户不仅需要满足最小速率要求同时为避免消耗过多功率导致系统能量效率下降，每个天线单元都设定有最大发送功率限制，即：

其中P^max为天线单元的最大发送功率限制，系统的能量效率函数为η_EE＝R_tot(A,B,P)/P_tot(A,B,P)，由于能效函数的非凸性，根据分数规划，为了求解最优化问题，将表达式转化为等效的线性表达式：

U(A,B,P)＝R_tot(A,B,P)-η_EEP_tot(A,B,P)，根据拉格朗日函数求解最优功率分配P，利用迭代方式，当U(A,B,P)＝0或接近于0时，得到最优系统能效值。

本发明的有益效果在于：本发明针对分布式天线系统多个天线单元、多个用户、多个正交子信道通信场景，提出一种能效最优化的资源分配方案，首先进行天线单元以及子信道最优分配，建立能效函数后，再优化功率分配，在满足用户业务速率的需求上，实现系统的能量效率最大化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为分布式天线系统的网络场景图；

图2为基于能效最优化的资源分配方案流程图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

考虑单蜂窝分布式天线系统，在覆盖区域内，随机分布有M个单天线的天线单元、K个单天线用户，系统中有N个正交子信道供天线单元使用。该系统我们设每个用户可使用多个天线单元，每个天线单元只分配给一个用户，每个天线单元可以使用多个子信道，每个子信道只分配给一个天线单元，假设每个子信道的带宽是B_w，考虑下行传输链路，天线单元使用多个信道和用户通信。图1为系统的网络场景图。

1)首先优化天线单元与用户的分配，同时优化子信道的分配。每个天线单元在每个子信道上到每个用户都具有一个信道增益值，基于最大化系统的速率要求，对信道增益进行由大到小排序，定义二元标识变量a_m,k＝{0,1}，当a_m,k＝1表示天线单元m分配给用户k，反之a_m,k＝0；定义二元标识变量b_m,n＝{0,1}，当b_m,n＝1时表示子信道n分配给天线单元m，反之b_m,n＝0。

天线单元分配应满足以下条件：每个用户至少分配一个天线单元，每个天线单元只能分配给一个用户，即

k＝1,2,…,K，每个用户首先选择信道条件最好的天线为它服务。子信道分配应满足以下条件：每个天线单元分配的子信道数为N_m，每个子信道只分配给一个天线单元，即

2)在1)中的约束条件下，按照信道状态排序。首先，将最好的信道及其所属的天线单元分配给用户；其次，排除已分配的天线单元和子信道所对应的信道增益值，在剩余的信道增益值中找到最大值，分配天线单元及子信道，直到每个用户都有一个天线单元为之服务；再次，将剩余的天线单元分配给信道条件最好的用户，同时将匹配好的子信道分配给天线单元；最后将剩余没有匹配的子信道按照信道状态排序分配给天线单元，由此可获得天线单元的最优分配矩阵A^opt及子信道的最优分配矩阵B^opt。

在本实施例中，为了清楚地说明天线单元、用户及子信道的分配过程，假设系统中有天线单元数M＝5，用户数K＝3，子信道数N＝8，天线单元与用户的信道衰落是复合衰落信道，其由大尺度衰落及小尺度衰落复合而成。所有天线单元在所有子信道上到用户的信道增益值h_M,N,K可构成一个三维矩阵，即8个5行3列的矩阵，可表示为H(5,3,8)，也即是在每个子信道n上都构成一个5行3列的信道增益矩阵，可表示为H(5,3,n)，n＝1,2,…,8。具体如下所述：

Step 1：构造增益矩阵

对子信道1：

对子信道2：

对子信道8：

Step 2：排序Step1中所有矩阵的信道增益值，获得最大增益值假设为h_4,2,3，则天线单元4分配给用户3，子信道2分配给天线单元4，根据天线单元仅分配给一个用户及子信道仅分配给一个天线单元的约束条件，排除已分配的天线单元及子信道，则信道增益矩阵变为：

对子信道1：

对子信道2：

对子信道3：

对子信道8：

重复Step 2依次找到信道增益最大值h_2,3,2，h_3,4,1，天线单元2和3分别分配给了用户2和1，子信道3和4分别分配给了天线单元2和3，至此所有用户均有一个天线单元为之服务，系统中剩余天线单元1和5未分配给用户，重新得到信道增益矩阵如下：

对子信道1：

对子信道2：

对子信道3：

对子信道4：

对子信道5：

对子信道8：

找到信道增益的最大值假设为h_1,5,2，置H(5,3,5)＝{0}_5×3，排序剩余信道增益值，找到最大值h_5,6,3，则可知天线单元已分配完，天线单元与用户的最优分配矩阵已分配的子信道矩阵

Step 3：

对于每个用户所属的天线单元，在剩余子信道上都有信道增益矩阵如下：

对用户1：信道增益值为h_3,1,1，h_3,7,1，h_3,8,1

对用户2：信道增益矩阵

子信道1：

子信道7：

子信道8：

对用户3：信道增益矩阵

子信道1：

子信道7：

子信道8：

找到以上信道增益值的最大值假设为h_4,1,3，h_2,8,2，h_3,7,1，则可获得最优子信道分配矩阵

$B_{M\×N}^{opt}=\left[\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 0\\ 1& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\end{array}\right]$

图2为本发明提出的基于能量效率最优化的联合资源分配方案流程图。

3)系统中K个用户的总速率之和为系统的总速率，根据公式：

计算系统的总速率，P为功率分配矩阵，初始值设为0到30dBm之间的常数，r_k为用户k的速率，根据子信道的带宽B_w，天线单元m在子信道n上与用户k间的信道增益h_m,n,k，传输功率p_m,n,k，噪声功率及Γ，由公式确定用户k的速率。

系统中的总功率为所有天线单元的发送功率、电路功率及光纤消耗的功率，根据公式确定总功率消耗，p_o表示单个天线单元消耗的电路功率，p_f为各个天线单元交换信息时消耗的功率。

为降低网络中的能量消耗，及减少功率过大造成的辐射危害，天线单元的发送功率应低于门限值P^max，即

4)根据系统的总速率函数R_tot(A^opt,B^opt,P)及系统的总功率函数P_tot(A^opt,B^opt,P)，建立能量效率函数η_EE＝R_tot(A^opt,B^opt,P)/P_tot(A^opt,B^opt,P)，根据分数规划建立能量效率函数的减数形式，

U(A^opt,B^opt,P)＝R_tot(A^opt,B^opt,P)-η_EEP_tot(A^opt,B^opt,P)，通过拉格朗日函数获得最优的功率分配矩阵P^opt，通过迭代方式获得最优的能量效率值从而实现对天线单元、子信道及功率的优化分配。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (6)

1.一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：

S1：不同位置下的天线单元使用正交子信道给用户传输数据，根据信道状态信息，用户对天线单元进行选择，天线单元对子信道进行选择，分别建立天线单元与用户的分配矩阵A和天线单元与正交子信道的分配矩阵B；

S2：根据所有用户的数据速率建立总速率函数R_tot(A,B,P)，P为天线单元在子信道上的功率分配矩阵；

S3：根据天线单元发送功率、电路功率及信号处理消耗的光纤功率确定联合总功率消耗函数P_tot(A,B,P)；

S4：建立系统的能量效率函数：

η_EE＝R_tot(A,B,P)/P_tot(A,B,P)，根据分数规划，将能量效率函数转换为等效的能效优化的线性表达式：U(A,B,P)＝R_tot(A,B,P)-η_EEP_tot(A,B,P)；

S5：基于能效最优化准则求解最优化的分配矩阵A和B及功率分配矩阵P，获得整个网络最优化能效值。

2.根据权利要求1所述的一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：在步骤S1中，建立M×K的天线单元与用户的分配矩阵A，表达式为：

其中M为系统中的天线单元数，K为用户数，m＝1,2,…,M,k＝1,2,…,K，且M≥K，a_m,k为分配二元变量标识，a_m,k＝1时，天线单元m分配给了用户k，反之a_m,k＝0，且a_m,k满足条件：

表示每个天线单元只能分配给一个用户，一个用户最多分配的天线单元数为M-K+1，目的是保证每个用户都分配有一个天线单元；

所述子信道与天线单元的分配矩阵B为M×N矩阵，分配矩阵：

其中N为系统中的正交子信道的数量，

m＝1,2,…,M,n＝1,2,…,N，且N≥M，b_m,n为二元变量标识，b_m,n＝1时子信道n分配给了天线单元m，反之b_m,n＝0，子信道分配二元变量标识满足条件： 表示每个子信道最多分配给一个天线单元，N_m表示天线单元m最多分配的子信道数，且

3.根据权利要求2所述的一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：在步骤S2中，所述建立的功率分配矩阵P是N个M×K矩阵，对于特定子信道n，分配矩阵p_m,n,k为天线单元m在子信道n上向用户k传输数据的发送功率，p_m,n,k＝0表示天线单元m没有和用户k通信。

4.根据权利要求3所述的一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：在步骤S2中，分布式天线系统下行传输总数据速率函数为网络中所有用户的速率之和，r_k为单个用户k的速率，具体包括：

系统总数据速率函数R_tot(A,B,P)为系统中所有用户的数据速率之和，根据香农公式及天线单元m在子信道n上向用户k发送功率可得用户k的速率：

其中B_w为子信道的带宽，h_m,n,k为天线单元m在子信道n上用户k的链路信道增益，Γ为特定误码率要求的常量，为噪声功率，再根据公式计算系统的总数据速率。

5.根据权利要求4所述的一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：在步骤S3中，分布式天线单元m在子信道n上给用户k的发送功率为p_m,n,k，可得所有天线单元给所有用户的发送总功率为其中τ为功率放大器的效率；天线单元消耗的电路总功率为Mp_o，p_o表示单个天线单元消耗的电路功率；各个天线单元通过光纤进行信息处理时消耗的总功率为p_f，系统的总功率消耗函数P_tot(A,B,P)为系统中的功率消耗之和，则整个系统消耗的总功率可表示为：

$P_{tot}\left(A,B,P\right)=\underset{k=1}{\overset{K}{\Σ}}\underset{m=1}{\overset{M}{\Σ}}\underset{n=1}{\overset{N}{\Σ}}{\mathrm{\τp}}_{m,n,k}+{\mathrm{Mp}}_o+p_f.$

6.根据权利要求5所述的一种分布式天线系统中基于能效的联合资源分配方法，其特征在于：在步骤S4和S5中，在传输过程中用户不仅需要满足最小速率要求同时为避免消耗过多功率导致系统能量效率下降，每个天线单元都设定有最大发送功率限制，即：其中P^max为天线单元的最大发送功率限制，系统的能量效率函数为由于能效函数的非凸性，根据分数规划，为了求解最优化问题，将表达式转化为等效的线性表达式：U(A,B,P)＝R_tot(A,B,P)-η_EEP_tot(A,B,P)，根据拉格朗日函数求解最优功率分配P，利用迭代方式，当U(A,B,P)＝0或接近于0时，得到最优系统能效值。