CN106912060B - 分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，包括如下步骤：1、计算小区内每个用户选择基站天线的初始数目V^*；2、为小区内每个用户k_n选择初始的V^*根天线，构成服务天线集合Β_n，k_n构成第n个用户集合Υ_n＝{k_n}，Υ_n和Β_n构成第n个虚拟小区V_n；计算用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子获取下行链路基站天线给用户k_n的发射功率3、获取任意两个虚拟小区V_i和V_j之间的距离D(V_i,V_j)；4、将不同虚拟小区进行合并，使得系统的能量效率不断提升。本发明在满足分布式天线系统可达速率的条件下，减少为用户服务的基站活跃天线数目，从而减少基站的功率消耗，并控制每个用户的有效接收功率，在满足系统频谱效率的前提下能有效提升系统的能量效率。

Description

分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法

技术领域

本发明属于大规模分布式天线系统中资源分配领域，涉及分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法。

背景技术

在分布式天线系统(DAS，Distributed Antenna System)中，远端接入单元(RAUs)随机设置在一定的范围内，并通过光纤与基带处理单元连接，因此DAS系统中，用户接入到基站的距离、基站的发射功率以及用户受到的干扰会很大程度降低，系统性能也大幅度提高。DAS的研究热度不断提升。由于DAS中基站天线距离用户的距离不等，其中大部分天线在距离用户较远处，要想和用户正常通信，必须提高基站天线的发射功率，由此消耗了大量的能量，系统的能量效率因此降低。

近年来，DAS中的能量效率由于系统持续增长的能量消耗以及环境问题而越来越受学术界和工业界的关注，成为下一代通信系统的主流。针对大规模分布式天线系统能量效率这一问题，相关研究人员已经提出多种解决方案提升系统能量效率的算法。其中大量的研究工作是通过降低系统的频谱效率换取系统的能量效率的提升。已有少量的研究者通过特定的算法让用户只选择小部分距离较近的信道条件比较理想的基站天线为其服务。本文在相关研究者已有的工作基础上进一步改进天线选择算法，并通过功率控制，更好得提高系统的能量效率，改善系统的性能。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足，本发明针对分布式天线系统中的能效问题提出了分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，该方法能够提升系统的能量效率。

技术方案：为了实现上述目的，本发明公开的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，包括以下步骤：

步骤1、计算小区内每个用户选择基站天线的初始数目V^*，其中L为基站天线数目，K为小区内用户数目，为向上取整符号；

步骤2、为小区内每个用户k_n选择初始的V*根天线，构成服务天线集合B_n，用户k_n构成第n个用户集合 和B_n构成第n个虚拟小区V_n，n＝1,2,...,N，N为虚拟小区(v-cell)数目，初始值为K；

计算用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子

在每个虚拟小区中，获取下行链路基站天线给用户k_n的发射功率

步骤3、获取任意两个虚拟小区V_i和V_j之间的距离D(V_i,V_j)，其中1≤i,j≤N,i≠j，d(k_i,V_j)表示V_i中的用户k_i到V_j的距离，min{·}表示求所有可能取值的最小值；

步骤4、将不同虚拟小区进行合并，使得系统的能量效率不断提升。

具体地，用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子计算如下式：

其中，路径损耗因子为α，用户k_n的坐标为第l个基站天线的坐标为r_l ^B，l＝1,2,…,L，||·||表示求向量的欧几里得范数。

具体地，下行链路基站天线给用户k_n的发射功率计算如下式：

其中表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_n表示用户k_n所属虚拟小区V_n的服务天线集合，p为常数，表示系统为所有用户统一设定的接收功率值。

具体地，虚拟小区V_i中的用户k_i到虚拟小区V_j的距离d(k_i,V_j)用用户k_i到V_j的信泄露噪比度量，计算如下式：

其中N₀表示高斯白噪声的功率，表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_j表示虚拟小区V_j的服务天线集合。

具体地，步骤(2)中为小区内每个用户k_n选择初始的V^*根天线，构成服务天线集合B_n的具体步骤包括：

(21)初始化每个用户的服务天线集合为空集：其中表示空集；

(22)依次遍历每个用户k_n，n＝1,2,…,K，每次选择一个未被分配且到用户k_n的大尺度衰落因子最大的基站天线l^*，将基站天线l^*并入集合Β_n中，B_n←B_n∪{l^*}，并标记基站天线l^*为已分配天线；

(23)重复执行步骤(22)V^*次，最终为每个用户的服务天线集合Β_n都包含V^*根天线，且满足1≤n,m≤K,且n≠m。

具体地，步骤(4)中合并不同虚拟小区包括如下步骤：

(41)N个虚拟小区构成集合Τ＝{V₁,V₂,…,V_N}，获取系统的初始能量效率η；

(42)在集合Τ中找到距离最近的两个虚拟小区和 计算将这两个虚拟小区合并后系统的能量效率η'；

(43)比较η'和η的大小，如果η'>η，则将和合并，执行操作431-434：

(431)从集合Τ中除去和

(432)将和进行合并：

(433)合并后的虚拟小区添加至集合Τ中：

(434)更新系统当前能量效率：η←η'；更新虚拟小区数目：N←N-1，重新计算集合Τ中任意两个虚拟小区之间的距离D；

如果η'<η，则将设置为无穷大；

(44)重复执行步骤(42)、(43)，直到集合Τ中任意两个虚拟小区之间的距离全部为无穷大，结束该合并算法。

具体地，获取系统的能量效率包括如下步骤：

(51)虚拟小区V_i中的用户k_i到V_i的服务天线集合B_i中的每个天线的大尺度衰落信息记为向量瞬时信道信息记为向量其中C表示复数域，|V_i|表示虚拟小区V_i包含的服务天线数目，获取用户k_i到B_i信道信息向量 表示两个向量对应元素相乘；

(52)用表示虚拟小区V_i中的基站天线给用户k_i发送信号时的预编码向量，则用户k_i的下行信泄露噪比表示为：

表示求向量a的共轭转置，表示虚拟小区V_i中的用户集合，有以下约束条件：

s.t.表示满足某约束条件，得到用户k_i的预编码向量：

其中I_M表示M阶单位矩阵，ξ_m(·)表示求矩阵的最大特征值对应的特征向量；

获得用户k_i的可达速率

E{·}表示求统计期望，其中表示用户k_i接收的干扰功率，表示为：

表示虚拟小区V_i'中的用户集合；

(53)基站侧消耗的功率为

p_total＝p_t+p_c+p_BH

其中p_t为基站发射总功率p_c为基站电路消耗的功率，为常数，与被服务的用户数目无关，p_BH为与系统用户总速率成正相关的回程(Backhaul)功率消耗，表示为：

其中ρ为常数比例因子；|B_i|表示天线集合B_i包含的天线数目；

则系统的能量效率η表示为：

有益效果：与现有技术相比，本发明公开的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，首先根据基站天线的数目和用户数目以及用户到每根基站天线的大尺度衰落信息选择最初的几根基站天线，每个用户与其服务天线构成一个v-cell，然后获取每个小区之间的距离，通过迭代算法合并不同的v-cell，使得系统频谱效率提升的同时提高系统的能量效率。本发明公开的方法在满足分布式天线系统可达速率的条件下，减少为用户服务的基站活跃天线数目，从而减少基站的功率消耗，并控制每个用户的有效接收功率，在满足系统频谱效率的前提下能有效提升系统的能量效率。

附图说明

图1是本发明中分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法的框架示意图；

图2是本发明中用户数目K＝16和32时，基于天线选择的高能效算法与其它两种方案在基站天线数目变化是系统的能量效率比较图；

图3是本发明中基站天线数目与用户数目比值L/K为4时，基于天线选择的高能效算法与其它两种方案在用户选择服务天线平均数目变化时系统的能量效率比较图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，进一步阐明本发明。

如图1所示，分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，首先依据基站天线和用户的数目信息，确定用户需要选择天线数目的初始值V*，然后根据用户和基站天线的位置得到每个用户到达所有基站天线的大尺度衰落因子等信息，并根据本发明的天线选择算法为每个用户选择最初的V*根基站天线，其中每个用户选择的天线不重复，并将每个用户和对其服务的基站天线看成一个虚拟小区v-cell；接着获取不同v-cell之间各个用户的SLNR，并基于本发明的算法对不同的v-cell进行合并,使得合并之后系统的能量效率不断提高。本发明在满足分布式天线系统一定可达速率条件下，减少为用户服务的基站天线数目，减小用户接收的干扰信号，通过天线选择算法选择特定的小部分基站天线服务用户，并控制每个用户的有效接收功率，在满足系统频谱效率的前提下能有效地提升系统的能量效率。具体步骤如下：

步骤1、本分布式天线系统中基站侧具备一个基带处理单元和L个远端接入终端，每个接入终端配置一根天线，即基站天线数为L；小区内用户数为K，计算小区内每个用户选择基站天线的初始数目V*， 为向上取整符号；

步骤2、根据路径损耗因子α，用户k_n的坐标第l个基站天线的坐标r_l ^B，计算用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子计算如下式：

其中||·||表示求向量的欧几里得范数。

为小区内每个用户k_n选择初始的V*根天线，构成服务天线集合B_n，具体步骤包括：

(21)初始化每个用户的服务天线集合为空集：其中表示空集；

(22)依次遍历每个用户k_n，n＝1,2,…,K，每次选择一个未被分配且到用户k_n的大尺度衰落因子最大的基站天线l^*，将基站天线l^*并入集合B_n中，B_n←B_n∪{l^*}，并标记基站天线l^*为已分配天线；

(23)重复执行步骤(22)V^*次，最终为每个用户的服务天线集合B_n都包含V^*根天线，且满足1≤n,m≤K,且n≠m。

用户k_n构成第n个用户集合 和Β_n构成第n个虚拟小区V_n，n＝1,2,...,N，N为虚拟小区(v-cell)数目，初始值为K；

在每个虚拟小区中，获取下行链路基站天线给用户k_n的发射功率p_kn；计算如下式：

其中表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_n表示用户k_n所属虚拟小区V_n的服务天线集合，p为常数，表示系统为所有用户统一设定的接收功率值。

步骤3、获取任意两个虚拟小区V_i和V_j之间的距离D(V_i,V_j)，其中1≤i,j≤N,i≠j，d(k_i,V_j)表示V_i中的用户k_i到V_j的距离，min{·}表示求所有可能取值的最小值；

虚拟小区V_i中的用户k_i到虚拟小区V_j的距离d(k_i,V_j)用用户k_i到V_j的信泄露噪比度量，计算如下式：

其中N₀表示高斯白噪声的功率，表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_j表示虚拟小区V_j的服务天线集合。

步骤4、将不同虚拟小区进行合并，使得系统的能量效率不断提升，包括如下步骤：

(41)N个虚拟小区构成集合Τ＝{V₁,V₂,…,V_N}，获取系统的初始能量效率η；

(42)在集合Τ中找到距离最近的两个虚拟小区和 计算将这两个虚拟小区合并后系统的能量效率η'；

(43)比较η'和η的大小，如果η'>η，则将和合并，执行操作431-434：

(431)从集合Τ中除去和其中A\{a}表示从集合A中除去元素a；

(432)将和进行合并：

(433)合并后的虚拟小区添加至集合Τ中：

(434)更新系统当前能量效率：η←η'；更新虚拟小区数目：N←N-1，重新计算集合Τ中任意两个虚拟小区之间的距离D；

如果η'<η，则将设置为无穷大；

(44)重复执行步骤(42)、(43)，直到集合Τ中任意两个虚拟小区之间的距离全部为无穷大，结束该合并算法。

上述过程中获取系统的能量效率包括如下步骤：

(51)虚拟小区V_i中的用户k_i到V_i的服务天线集合B_i中的每个天线的大尺度衰落信息记为向量瞬时信道信息记为向量其中C表示复数域，|V_i|表示虚拟小区V_i包含的服务天线数目，获取用户k_i到B_i信道信息向量 表示两个向量对应元素相乘；

(52)用表示虚拟小区V_i中的基站天线给用户k_i发送信号时的预编码向量，则用户k_i的下行信泄露噪比表示为：

表示求向量a的共轭转置，表示虚拟小区V_i中的用户集合，有以下约束条件：

s.t.表示满足某约束条件，得到用户k_i的预编码向量：

其中I_M表示M阶单位矩阵，ξ_m(·)表示求矩阵的最大特征值对应的特征向量；

获得用户k_i的可达速率

E{·}表示求统计期望，其中表示用户k_i接收的干扰功率，表示为：

表示虚拟小区V_i'中的用户集合；

(53)基站侧消耗的功率为

p_total＝p_t+p_c+p_BH

其中p_t为基站发射总功率p_c为基站电路消耗的功率，为常数，与被服务的用户数目无关，p_BH为与系统用户总速率成正相关的回程(Backhaul)功率消耗，表示为：

其中ρ为常数比例因子；|B_i|表示天线集合B_i包含的天线数目；

则系统的能量效率η表示为：

由图2中可以看出，本发明公开的基于天线选择的高能效传输方法的能量效率远优于基于最初选择天线时考虑不同的用户会选择相同的基站天线为其服务的方案，也远远优于天线选择算法相同但是采用匹配滤波的预编码传输方案。且基站天线数目与用户数目比值在比较小的情况下优势更明显。

从图3中可以看出，本发明公开的基于天线选择的高能效传输方法在用户平均服务天线相同时系统的能量效率远优于基于最初选择天线时考虑不同的用户会选择相同的基站天线为其服务的方案，也远远优于天线选择算法相同但是采用匹配滤波的预编码传输方案。且在一定的平均服务天线数目范围内，随着平均服务天线数目变大能效增大，并达到一个最大值。

因此，本发明公开的方法能够采用较少分布式天线系统中的活动天线，并且不同的v-cell的基站天线集合没有重叠，减小用户接收的干扰信号，通过天线选择算法选择特定的小部分基站天线服务用户，并控制每个用户的有效接收功率，在满足系统频谱效率情况下也能有效提升系统的能量效率。

Claims (5)

1.分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)计算小区内每个用户选择基站天线的初始数目V^*，其中L为基站天线数目，K为小区内用户数目，为向上取整符号；

(2)为小区内每个用户k_n选择初始的V^*根天线，构成服务天线集合Β_n，用户k_n构成第n个用户集合γ_n＝{k_n}，γ_n和Β_n构成第n个虚拟小区V_n，n＝1,2,...,N，N为虚拟小区数目，初始值为K；

计算用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子l＝1,2,..,L；

在每个虚拟小区中，获取下行链路基站天线给用户k_n的发射功率

(3)获取任意两个虚拟小区V_i和V_j之间的距离D(V_i,V_j)，其中1≤i,j≤N,i≠j，d(k_i,V_j)表示V_i中的用户k_i到V_j的距离，min{·}表示求所有可能取值的最小值；

虚拟小区V_i中的用户k_i到虚拟小区V_j的距离d(k_i,V_j)用用户k_i到V_j的信泄露噪比度量，计算如下式：

其中N₀表示高斯白噪声的功率，表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_j表示虚拟小区V_j的服务天线集合，为下行链路基站天线给用户k_i的发射功率；p为常数，表示系统为所有用户统一设定的接收功率值；

(4)将不同虚拟小区进行合并，使得系统的能量效率不断提升；

步骤(4)中合并不同虚拟小区包括如下步骤：

(41)N个虚拟小区构成集合T＝{V₁,V₂,…,V_N}，获取系统的初始能量效率η；

(42)在集合T中找到距离最近的两个虚拟小区和 计算将这两个虚拟小区合并后系统的能量效率η'；

(43)比较η'和η的大小，如果η'>η，则将和合并，执行操作431-434：

(431)从集合T中除去和

(432)将和进行合并：

(433)合并后的虚拟小区添加至集合T中：

(434)更新系统当前能量效率：η←η'；更新虚拟小区数目：N←N-1，重新计算集合T中任意两个虚拟小区之间的距离D；

如果η'<η，则将设置为无穷大；

(44)重复执行步骤(42)、(43)，直到集合T中任意两个虚拟小区之间的距离全部为无穷大，结束该合并算法。

2.根据权利要求1所述的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，其特征在于，用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子计算如下式：

其中，路径损耗因子为α，用户k_n的坐标为第l个基站天线的坐标为r_l ^B，l＝1,2,…,L，||·||表示求向量的欧几里得范数。

3.根据权利要求1所述的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，其特征在于，下行链路基站天线给用户k_n的发射功率计算如下式：

其中表示用户k_n到第l个基站天线的大尺度衰落因子，B_n表示用户k_n所属虚拟小区V_n的服务天线集合，p为常数，表示系统为所有用户统一设定的接收功率值。

4.根据权利要求1所述的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，其特征在于，步骤(2)中为小区内每个用户k_n选择初始的V^*根天线，构成服务天线集合B_n的具体步骤包括：

(21)初始化每个用户的服务天线集合为空集：其中表示空集；

(22)依次遍历每个用户k_n，n＝1,2,…,K，每次选择一个未被分配且到用户k_n的大尺度衰落因子最大的基站天线l^*，将基站天线l^*并入集合B_n中，B_n←B_n∪{l^*}，并标记基站天线l^*为已分配天线；

(23)重复执行步骤(22)V^*次，最终为每个用户的服务天线集合Β_n都包含V^*根天线，且满足且n≠m。

5.根据权利要求1所述的分布式系统中一种基于天线选择的高能效传输方法，其特征在于，获取系统的能量效率包括如下步骤：

(51)虚拟小区V_i中的用户k_i到V_i的服务天线集合B_i中的每个天线的大尺度衰落信息记为向量瞬时信道信息记为向量其中C表示复数域，|V_i|表示虚拟小区V_i包含的服务天线数目，获取用户k_i到B_i信道信息向量 表示两个向量对应元素相乘；

(52)用表示虚拟小区V_i中的基站天线给用户k_i发送信号时的预编码向量，则用户k_i的下行信泄露噪比表示为：

其中N₀表示高斯白噪声的功率；表示求向量a的共轭转置，γ_i表示虚拟小区V_i中的用户集合，有以下约束条件：

s.t.表示满足某约束条件，得到用户k_i的预编码向量：

其中I_M表示M阶单位矩阵，ξ_m(·)表示求矩阵的最大特征值对应的特征向量；为下行链路基站天线给用户k_i的发射功率；

获得用户k_i的可达速率

E{·}表示求统计期望，其中表示用户k_i接收的干扰功率，表示为：

γ_i'表示虚拟小区V_i'中的用户集合；

(53)基站侧消耗的功率为

p_total＝p_t+p_c+p_BH

其中p_t为基站发射总功率p_c为基站电路消耗的功率，为常数，与被服务的用户数目无关，p_BH为与系统用户总速率成正相关的回程功率消耗，表示为：

其中ρ为常数比例因子；|B_i|表示天线集合B_i包含的天线数目；

则系统的能量效率η表示为：