CN106998222A - 一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法。该方法以分布式天线系统的能量效率最大化作为优化目标、以分布式天线系统各个远程天线的功率作为优化变量构建能量效率模型，利用导数分析、分类讨论选出用来传输信号的远程天线的数目，然后利用分类讨论、朗伯函数给出功率分配的闭式表达式。本发明所提出的方法不仅可以有效实现各个远程天线功率的最优分配，而且给出了闭式解，避免了迭代计算，与现有方法相比运算复杂度大幅度降低。

Description

一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法

技术领域

本发明属于移动通信领域，涉及移动通信系统的资源分配方法，尤其是涉及一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法。

背景技术

随着移动通信系统的不断发展，移动用户迅猛增加，用户对移动通信业务种类和通信质量的要求也在不断提高，各个运营商都在不断增大网络的覆盖范围、增加基站数目和容量。但是，基站越建越多，消耗的能源也也呈指数型增长。面对全球能源日益紧张的局面，国内外研究机构正不断地寻求有着更高能量效率(EE，Energy Efficiency)的传输技术，“绿色通信”也成为人们广泛关注的话题。找到一种能有效提高系统能量效率的传输技术正成为未来无线通信的趋势。

分布式天线系统(DAS，Distributed Antenna System)是一种将发送天线布置在小区不同位置的天线系统，系统中的每个发送天线通过光纤、同轴电缆或无线链路与小区的中央处理器相连。研究表明，分布式天线系统在容量、能耗和覆盖范围方面相较于传统集中式天线系统有着巨大的优势。在相同频谱效率下，分布式天线系统能有效地减少移动台所需的接入距离，即扩大基站的覆盖范围，降低系统发送端的发射功率。另外DAS解决方案可以提高频谱效率，降低信号传输的成本。分布式天线系统不论在提高系统容量、降低发射功率、提高分集度，还是在减少切换次数，降低中断概率等方面都显出了传统蜂窝系统不可比拟的优势，被认为是传统蜂窝系统的理想替代方案之一。

功率分配一直是分布式天线系统的研究热点之一。由于用户到各个发送天线之间的距离不等，因此每个天线到用户之间的信道条件也不一样。为提高能量效率，DAS系统的天线不一定都用来发送信号给用户，可以有选择的让用户和若干个发送天线进行通信，即根据每个天线到用户的信道情况，分配给每个天线不同的发送功率。这样能提高系统整体的能量效率，减少不必要的功率开销。文献1(Xin Chen，Xiaodong Xu，XiaofengTao.Energy efficient power allocation in generalized distributed antennasystem[J].IEEE Communications Letters，2012，16(7)：1022-1025.)把该问题当作分式规划问题，用一般的优化求解方法得到了一个迭代算法。文献2(Heejin Kim，Sang-RimLee，Changick Song，Kyoung-Jae Lee，Inkyu Lee，Optimal power allocation schemefor energy efficiency maximization in distributed antenna systems[J].IEEETransactions on Communications，2015，63(2)：431-440.)则利用Karush-Kuhn-Tucker(KKT)条件求得了功率分配问题的闭式形式，并根据朗伯函数给出了闭式解。在以往的研究中，功率分配问题的求解一般需要迭代计算，而有闭式解的方法复杂度又很高，因此亟需开发一种既能直接给出闭式解，而且复杂度较低的方法。

发明内容

发明目的：为提高分布式天线系统的能量效率，本发明提出一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法。该方法利用各个分布式天线到用户之间的信道增益与噪声功率比，以计算得到系统分配给每个分布式天线的功率。

为实现上述技术效果，本发明提出的技术方案为：

一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法，该方法包括以下步骤：

(1)对分布式天线系统中任意一用户u，获取分布式天线系统中每个远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比；为各远程天线分配序号，使到用户u的信道增益与噪声功率比值越大的远程天线排序越靠前，即各远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比排列为：γ₁＞…＞γ_i…＞γ_N；其中，γ_i表示第i根远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比，N为远程天线个数；

(2)建立分布式天线系统的能量效率模型为：

式中，η_EE表示分布式天线系统的能量效率，P_c为系统的环路功率消耗；式中，P_i表示第i根远程天线的发射功率；

(3)以能量效率最大化为目标问题求解能量效率模型，求解步骤包括：

(3-1)将能量效率模型分段为以下形式：

式中，P_max，i表示第i根远程天线的最大发射功率；

(3-2)对V_k(P_k)进行求导，并计算V_k(P_k)导数的分子为：

(3-3)计算{V₂(0)，...，V_N(0)}中值最大的一项，记为V_K；

(3-4)计算A_K(0)的值；若A_K(0)＞0，则计算N₀＝K，否则，计算N₀＝K-1；N₀表示满足分布式天线系统能量效率最大化的用于传输信号的远程天线数量；

(3-5)计算的值，若则计算否则，计算为：

式中，W()为朗伯W函数；

(3-6)根据步骤(3-5)得到的计算出能量效率模型的最优解为：

即分布式天线系统给第N₀根远程天线分配的功率为给第1个到第N₀-1根远程天线分配的功率为各远程天线的最大功率P_max，i，给第N₀+1到第N根远程天线不分配功率。

进一步的，所述每根远程天线到到用户u的信道增益与噪声功率比的计算公式如下：

其中，h_i＝g_iΩ_i；g_i表示第i根远程天线到移动台的小尺度衰落，Ω_i表示第i根远程天线到移动台的大尺度衰落。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：

能获得能量效率的最大化，通过给各个远程天线分配特定的功率，使得系统的能量效率尽可能地得到提高。能够得到功率分配的闭式表达式，避免了复杂的迭代计算。充分考虑了功率分配的各种情况，尽可能地降低了朗伯函数的计算次数。方法计算流程简单，复杂度低。

附图说明

图1为本发明实施例的流程图；

图2为本发明实施例中分布式天线系统的模型图；

图3为实施例的仿真结果与传统功率分配算法的仿真结果对比图。

具体实施方式

为了阐明本发明的技术方案及技术目的，下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的介绍。

本发明涉及到的硬件装置包括分布在小区不同位置的远程天线、和每个远程天线相连接的中央处理单元(CPU，Central Processing Unit)、小区内接受服务的移动台(MS，Mobile Station)。在本实施中，如附图2所示，有N个分散放置在小区内的远程天线，记为RA_i，i＝1，...，N。每个远程天线配有1根天线，并通过特定传输通道连接到中央处理单元。小区内移动台(MS)有一根或多个天线。定义h_i为第i根远程天线到移动台的信道衰落系数，定义为移动台复高斯白噪声的功率。

图1所示为本实施例的流程图，包括以下步骤：

步骤1：对于分布式天线系统中的任意一移动台u，获取每根远程天线到移动台u的信道衰落系数和移动台复高斯白噪声的功率，并计算得到每根远程天线到移动台的信道增益与噪声功率比，计算公式如下：

其中，h_i一般由大尺度衰落和小尺度衰落共同决定，即h_i＝g_iΩ_i。g_i表示第i根远程天线到移动台的小尺度衰落，常用的小尺度衰落模型有瑞利衰落和赖斯衰落等。Ω_i表示第i根远程天线到移动台的大尺度衰落，一般包括路径损耗和阴影衰落。

分布式天线系统的中央处理单元将每根远程天线到移动台的信道增益与噪声功率比按降序排列，并根据信道增益与噪声功率比从大到小的顺序为各远程天线分配序号，使到用户u的信道增益与噪声功率比值越大的远程天线排序越靠前，即各远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比排列为：

γ₁＞…＞γ_i…＞γ_N

中央处理单元建立一个待优化的功率分配向量P＝[P₁，P₂，...，P_N]^T，其中，P_i表示第i根远程天线的发射功率，即P_i和γ_i按顺序一一对应。

步骤2构建分布式天线系统能量效率模型为：

其中，P_max，i表示第i根发送天线的最大发射功率，P_c为系统的环路功率消耗。通过拉格朗日乘数法，可以证明上述分布式天线系统能量效率模型的最优解一定满足以下一般形式：

P^*＝[P_max，1，...，P_max，k-1，P_k，0，...，0]^T

将该一般形式代入能量效率的定义中，并对k从1到N进行遍历，从而把能量效率的原式转化为以下分段函数：

对该函数求导后发现，该导数的符号只与其分子有关，分布式天线系统的信号处理单元只需计算导数的分子，即：

信号处理单元分别计算{V₂(0)，...，V_N(0)}，并找出其中最大的一项的下标，记为K。接着计算A_K(0)，若A_K(0)＞0，则计算N₀＝K，否则计算N₀＝K-1。N₀表示满足分布式天线系统能量效率最大化的用于传输信号的远程天线数量，即分布式天线系统决定用第1到第N₀根远程天线来传输信号。

步骤3根据步骤2得到的N₀，计算的值：

若则即第N₀个远程天线的功率为其最大发射功率；否则，通过以下公式计算

其中，W()为朗伯W函数。

步骤4根据步骤3得到的计算出能量效率模型的最优解为：

即分布式天线系统的中央处理单元给第N₀根远程天线分配的功率为给第1个到第N₀-1根远程天线分配的功率为各远程天线的最大功率P_max，i，给第N₀+1到第N根远程天线不分配功率。

为了说明本发明相对于现有技术的技术效果，本实施例中通过MATLAB平台模拟仿真，来对比以往的迭代算法和本发明在不同最大功率限制条件下的能量效率，仿真结果如图3所示。

仿真中为便于分析，设置每个远程天线的最大功率都等于一个特定值P_max。图3中给出了分布式天线系统在不同P_max和不同N下的能量效率值。其中，方法1代表本发明提出的方法，方法2代表以往的迭代算法。仿真结果表明本发明所提出的方法能与以往迭代算法取得完全一致的能量效率性能，而两种方法给出的功率分配都是能效优化问题的最优解。同时，本方法不需要迭代计算，能得到闭式解，计算复杂度低。从图3可以看出，随着天线功率上限P_max的增大，系统能量效率先增大，后达到饱和。另外，随着系统远程天线数目的增大，系统能量效率明显增大，这是因为远程天线越多，系统更有可能选到较好的功率分配方案。

综上所述，本发明提出的方法能有效地获得能使能量效率达到最大的最优功率分配，同时方法实现的步骤较少，复杂度低，能获得闭式解，且不需要迭代计算。这充分说明了本发明提出的一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法的有效性。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，本发明要求保护范围由所附的权利要求书、说明书及其等效物界定。

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 (2)

1.一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)对分布式天线系统中任意一用户u，获取分布式天线系统中每个远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比；为各远程天线分配序号，使到用户u的信道增益与噪声功率比值越大的远程天线排序越靠前，即各远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比排列为：γ₁＞…＞γ_i…＞γ_N；其中，γ_i表示第i根远程天线到用户u的信道增益与噪声功率比，N为远程天线个数；

(2)建立分布式天线系统的能量效率模型为：

${\mathrm{\η}}_{EE}=\frac{{\log }_2(1+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{\mathrm{\γ}}_i{P}_i)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^N{P}_i+P_c}$

式中，η_EE表示分布式天线系统的能量效率，P_c为系统的环路功率消耗；式中，P_i表示第i根远程天线的发射功率；

(3)以能量效率最大化为目标问题求解能量效率模型，求解步骤包括：

(3-1)将能量效率模型分段为以下形式：

$V_k\left(P_k\right)=\frac{{\log }_2\left(1+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{\mathrm{\γ}}_i{P}_{\max ,i}+{\mathrm{\γ}}_k{P}_k\right)}{{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{P}_{\max ,i}+P_k+P_c},k=1,2,\mathrm{...},N$

式中，P_max，i表示第i根远程天线的最大发射功率；

(3-2)对V_k(P_k)进行求导，并计算V_k(P_k)导数的分子为：

$A_k\left(P_k\right)={\mathrm{\γ}}_k({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{P}_{max,i}+P_k+P_c)-(1+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{\mathrm{\γ}}_i{P}_{\max ,i}+{\mathrm{\γ}}_k{P}_k)\×\ln (1+{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{k-1}{\mathrm{\γ}}_i{P}_{\max ,i}+{\mathrm{\γ}}_k{P}_k)$

(3-3)计算{V₂(0)，...，V_N(0)}中值最大的一项，记为V_K；

(3-4)计算A_K(0)的值；若A_K(0)＞0，则计算N₀＝K，否则，计算N₀＝K-1；N₀表示满足分布式天线系统能量效率最大化的用于传输信号的远程天线数量；

(3-5)计算的值，若则计算否则，计算为：

$P_{N_0}=\frac{1}{{\mathrm{\γ}}_{N_0}}\left\{\exp \[W\left(\frac{{\mathrm{\γ}}_{N_0}\left({\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_0-1}{P}_{\max ,i}+P_c\right)-1-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_0-1}{\mathrm{\γ}}_i{P}_{\max ,i}}{e}\right)+1\]-1-{\mathrm{\Σ}}_{i=1}^{N_0-1}{\mathrm{\γ}}_i{P}_{\max ,i}\right\}$

式中，W()为朗伯W函数；

(3-6)根据步骤(3-5)得到的计算出能量效率模型的最优解为：

$P^{*}={\[P_{max,1},...,P_{max,N_0-1},P_{N_0},0,...,0\]}^T$

即分布式天线系统给第N₀根远程天线分配的功率为给第1个到第N₀-1根远程天线分配的功率为各远程天线的最大功率P_max，i，给第N₀+1到第N根远程天线不分配功率。

2.根据权利要求1所述的一种分布式天线系统中高能效的功率分配方法，其特征在于，所述每根远程天线到到用户u的信道增益与噪声功率比的计算公式如下：

${\mathrm{\γ}}_i=\frac{|h_i{|}^2}{{\mathrm{\σ}}_n^2}$

其中，h_i＝g_iΩ_i；g_i表示第i根远程天线到移动台的小尺度衰落，Ω_i表示第i根远程天线到移动台的大尺度衰落。