CN116193589B - 一种分布式天线系统能效资源分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式天线系统能效资源分配方法，涉及能效资源分配技术领域。本发明包括收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据，获取在该分布式天线系统A₁中所有区域的用户使用天线单元的使用频率以及使用量情况，基带处理单元对各区域天线单元的使用频率以及功率消耗进行统计形成样本库；对样本库内高使用频率的天线单元区域进行区分，并判断是否属于或者临近信号交叉区域，若是，则通过该分布天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中。本发明通过能效分配模型对能效重新分配，满足于独立区域的能效分配，这样以较小的能量损失满足所有用户的信息处理。

Description

一种分布式天线系统能效资源分配方法

技术领域

本发明属于能效资源分配技术领域，特别是涉及一种分布式天线系统能效资源分配方法。

背景技术

绿色通信是一项关系国家发展、人民福祉的重大工程，绿色、节能和可持续发展始终是通信业发展的重要方向。如何实现绿色通信的目标，国内外很多国家、企业都对此做了很多相关工作，也早已成为工业界和学术界的研究焦点。分布式天线系统(DistributedAntenna System,or DAS)，是在预定的空间或建筑内，由多个空间分离的天线节点，通过多种信号传输媒介，连接到多种信号源，组建而成的移动通信网络。

面对海量式增长的数据流量需求与迫切需要降低通信行业的能量消耗、提高系统能效之间的矛盾，需要新的通信系统架构来解决这样的矛盾，DAS的出现，为人们解决这样的矛盾带来了希望，凭借其自身的优势，已经在3G、4G中部署，DAS的优点在于其系统容量大、覆盖范围广、较低的成本、灵活的部署特性、天线相关性低、适合非均匀流量分布、绿色节能以及动态切换减少等等，同时，DAS也存在着一些缺点。

目前的分布式天线系统由于信号信息的处理任务全部由CU来完成，因此使得CU的处理复杂度相比传统基站的处理复杂度较高，当用户数较多，业务量大时，复杂度甚至更高，部分交叉覆盖的分布式天线系统的CU则较为空闲，这种信号接收分配不合理的情况导致了CU的负荷较高，影响该区域的分布式天线系统的运行，为此我们提出一种分布式天线系统能效资源分配方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种分布式天线系统能效资源分配方法，解决现有的分布式天线系统由于信号信息的处理任务全部由CU来完成，因此使得CU的处理复杂度相比传统基站的处理复杂度较高，当用户数较多，业务量大时，复杂度甚至更高，部分交叉覆盖的分布式天线系统的CU则较为空闲，这种信号接收分配不合理的情况导致了CU的负荷较高，影响该区域的分布式天线系统的运行的问题。

为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明为一种分布式天线系统能效资源分配方法，包括以下步骤：

S1、建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中，该分布式天线系统A₁与相邻小区所建立的若干个分布式天线系统均存在信号范围交叉区域，每个交叉区域的大小范围控制在2％-5％，对每个交叉区域进行编号；

S2、收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据，获取在该分布式天线系统A₁中所有区域的用户使用天线单元的使用频率以及使用量情况，基带处理单元对各区域天线单元的使用频率以及功率消耗进行统计形成样本库；

S3、对样本库内高使用频率的天线单元区域进行区分，并判断是否属于或者临近信号交叉区域，若是，则通过该分布天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中，分布式天线系统A₁以及A₂所交叉区域内部的各天线单元共同分配该交叉区域内部的用户量；

S4、若否，则根据样本库内各天线单元的使用情况设置权重比例，按照对应的权重值构建能效分配模型，并优化；

S5、将该小区的用户数据导入到优化后的所述能效分配模型中，得出仿真结果，根据仿真结果得出最优的能效分配方案，并根据该方案进行该小区的分布式天线系统的能效分配。

优选的，所述步骤S1中对的每个交叉区域的编号原则为：若分布式天线系统A₁与分布式天线系统A₂之间形成交叉区域，则该交叉区域编号为B_A1A2,该交叉区域B_A1A2其内部天线单元数量总和以及用户数量均记录于各分布式天线系统的样本库内部。

优选的，所述步骤S1中建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中还包括M个天线单元和K个用户随机分布在分布式天线系统内的不同地理位置，每个天线单元和用户均配置单根天线，分布式天线系统的总带宽被划分为N个正交子载波，每个子载波的带宽为B＝W/N，其中W为系统总带宽，所有的天线单元通过光线或者高速同轴电缆连接到基带处理单元。

优选的，所述天线单元通过子载波向用户传输数据，用户k在子载波n上接收到来自天线单元m的信号可以表示为：

其中，p_k,n,m表示天线单元m在子载波n上到用户k的发送功率，x_k,n,m是发射符号，并且满足E(|x_k,n,m|²)＝1，h_k,n,m是相应的负荷衰落信道增益，它有大尺度衰落l_k,m和小尺度衰落g_k,n,m两部分组成，即h_k,n,m＝l_k,m*g_k,n,m

小尺度衰落是零均值单位方差的独立同分布复高斯随机变量，大尺度衰落包含阴影衰落和路径损耗两部分，可以表示为其中s_k,m表示对数阴影衰落变量，10log₁₀s_k,m是均值为零，标准差为σ_sh的高斯随机变量，c表示参考距离1km处的平均路径增益的中值，d_k,m为用户k与天线单元m之间的距离，α是路径损耗指数，z_k,n,m是加性白高斯噪声。

优选的，所述步骤S2中收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据具体步骤包括：收集某一时间段内0-24h之内该分布式天线系统A₁通过天线单元发送的关于用户蜂窝网络使用信息数据，用户蜂窝网络使用信息数据具体包括用户位置分布情况，用户使用天线单元的时间分布情况以及能效使用情况。

优选的，所述步骤S2中功率消耗大小为该分布式天线系统的能量消耗，系统的功率损耗包括动态损耗P_dynamic和静态P_static，可以写成

P_tot＝P_dynamic+P_static

动态功率损耗是天线单元传输信号时消耗的功率，表示为其中τ是功放效率，P_t是传输功率，静态功率损耗包括M个天线单元的固定电路功率消耗Mp_{_cir}和回程链路传输信号消耗的功率p_h,表示为P_static＝Mp_{_cir}+p_h。

优选的，所述步骤S3中通过该分布天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中具体步骤如下：

S3.1、基带处理单元根据样本库中所记录的该交叉区域天线单元某一使用高峰时间段，根据该时间段内的用户数量以及功耗对用户进行分配；

S3.2、该交叉区域所述的分布式天线系统A₁将该区域内初始30％的用户分流至分布式天线系统A₂；

S3.3、若该时段内分布式天线系统A₁的作业压力并没有得到明显缓解，则每隔特定时段，分布式天线系统A₁分流10％的用户至分布式天线系统A₂，直至分布式天线系统A₁的作业压力缓解为止。

优选的，所述步骤S4中能效分配模型具体包括：能效定义为系统的总数据速率R_tot与系统的总功率消耗P_tot的比值，单位是bits/Joule，表示网络中消耗每焦耳能量所传输的比特数，表达式为其中R_tot可由香农公式计算得出，表达式为其中a_k,m和b_n,m是二元变量标识，a_k,m和b_n,m∈{0，1}，a_k,m＝1表示天线单元m分配给用户k，反之a_k,m＝0，b_n,m＝1表示子载波n分配给天线单元m，反之b_n,m＝0。

优选的，所述分布式天线系统中的每个天线单元仅仅为一个用户服务，多个天线单元可以协作为用户服务，为了避免同频干扰，每个子载波仅仅分配给一个天线单元，一个天线单元可以拥有多个子载波。

本发明具有以下有益效果：

本发明通过设置多个相邻的分布式天线系统，并且这些分布式的天线系统均设置有独立的基带处理单元，多个分布式天线系统由于是以圆形的形状散射出去，因此将相邻的分布式天线系统扩大其分布范围，导致两个相邻的分布系统存在交叉区域，这些交叉区域作为两个分布式天线系统的共有区域，其天线单元独立存在，因此当某一个分布式天线系统的能效分配出现负载的情况发生，通过检测本分布式天线系统的用户使用情况，从而确定高峰用户使用率是否存在于交叉区域内部，若不存在在于交叉区域内部，则通过天线系统自身设置的能效分配模型对能效进行重新分配，从而满足该独立区域的能效分配，若存在在于交叉区域内部，则通过两个交叉的分布式天线系统之间相互分流，将负载一方位于交叉区域的用户量分流至另一分布式天线系统内部，从而满足现有的能效分配方案，同时交叉区域内部的能效分配复杂得到解决后，再通过能效分配模型对能效重新分配，满足于独立区域的能效分配，这样以较小的能量损失满足所有用户的信息处理。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明提供的分布式天线系统能效资源分配方法的方法流程图；

图2为本发明分布式天线系统能效资源分配方法的步骤3的具体流程图；

具体实施方式

为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”“前端”、“后端”、“两端”、“一端”、“另一端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

参阅图1-2，本发明为一种分布式天线系统能效资源分配方法，包括以下步骤：

S1、建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中，该分布式天线系统A₁与相邻小区所建立的若干个分布式天线系统均存在信号范围交叉区域，每个交叉区域的大小范围控制在2％-5％，对每个交叉区域进行编号；

S2、收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据，获取在该分布式天线系统A₁中所有区域的用户使用天线单元的使用频率以及使用量情况，基带处理单元对各区域天线单元的使用频率以及功率消耗进行统计形成样本库；

S3、对样本库内高使用频率的天线单元区域进行区分，并判断是否属于或者临近信号交叉区域，若是，则通过该分布天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中，分布式天线系统A₁以及A₂所交叉区域内部的各天线单元共同分配该交叉区域内部的用户量；

S4、若否，则根据样本库内各天线单元的使用情况设置权重比例，按照对应的权重值构建能效分配模型，并优化；

S5、将该小区的用户数据导入到优化后的能效分配模型中，得出仿真结果，根据仿真结果得出最优的能效分配方案，并根据该方案进行该小区的分布式天线系统的能效分配。

其中，步骤S1中对的每个交叉区域的编号原则为：若分布式天线系统A₁与分布式天线系统A₂之间形成交叉区域，则该交叉区域编号为B_A1A2,该交叉区域B_A1A2其内部天线单元数量总和以及用户数量均记录于各分布式天线系统的样本库内部。

其中，步骤S1中建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中还包括M个天线单元和K个用户随机分布在分布式天线系统内的不同地理位置，每个天线单元和用户均配置单根天线，分布式天线系统的总带宽被划分为N个正交子载波，每个子载波的带宽为B＝W/N，其中W为系统总带宽，所有的天线单元通过光线或者高速同轴电缆连接到基带处理单元。

其中，天线单元通过子载波向用户传输数据，用户k在子载波n上接收到来自天线单元m的信号可以表示为：

其中，p_k,n,m表示天线单元m在子载波n上到用户k的发送功率，x_k,n,m是发射符号，并且满足h_k,n,m是相应的负荷衰落信道增益，它有大尺度衰落l_k,m和小尺度衰落g_k,n,m两部分组成，即

h_k,n,m＝l_k,m*g_k,n,m

小尺度衰落是零均值单位方差的独立同分布复高斯随机变量，大尺度衰落包含阴影衰落和路径损耗两部分，可以表示为其中s_k,m表示对数阴影衰落变量，10log₁₀s_k,m是均值为零，标准差为σ_sh的高斯随机变量，c表示参考距离1km处的平均路径增益的中值，d_k,m为用户k与天线单元m之间的距离，α是路径损耗指数，z_k,n,m是加性白高斯噪声。

其中，步骤S2中收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据具体步骤包括：收集某一时间段内0-24h之内该分布式天线系统A₁通过天线单元发送的关于用户蜂窝网络使用信息数据，用户蜂窝网络使用信息数据具体包括用户位置分布情况，用户使用天线单元的时间分布情况以及能效使用情况。

其中，步骤S2中功率消耗大小为该分布式天线系统的能量消耗，系统的功率损耗包括动态损耗P_dynamic和静态P_static，可以写成P_tot＝P_dynamic+P_static动态功率损耗是天线单元传输信号时消耗的功率，表示为其中τ是功放效率，P_t是传输功率，静态功率损耗包括M个天线单元的固定电路功率消耗Mp_{_cir}和回程链路传输信号消耗的功率p_h,表示为P_static＝Mp_{_cir}+p_h。

其中，步骤S3中通过该分布天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中具体步骤如下：

S3.1、基带处理单元根据样本库中所记录的该交叉区域天线单元某一使用高峰时间段，根据该时间段内的用户数量以及功耗对用户进行分配；

S3.2、该交叉区域的分布式天线系统A₁将该区域内初始30％的用户分流至分布式天线系统A₂；

S3.3、若该时段内分布式天线系统A₁的作业压力并没有得到明显缓解，则每隔特定时段，分布式天线系统A₁分流10％的用户至分布式天线系统A₂，直至分布式天线系统A₁的作业压力缓解为止。

其中，步骤S4中能效分配模型具体包括：能效定义为系统的总数据速率R_tot与系统的总功率消耗P_tot的比值，单位是bits/Joule，表示网络中消耗每焦耳能量所传输的比特数，表达式为其中R_tot可由香农公式计算得出，表达式为其中a_k,m和b_n,m是二元变量标识，a_k,m和b_n,m∈{0，1}，a_k,m＝1表示天线单元m分配给用户k，反之a_k,m＝0，b_n,m＝1表示子载波n分配给天线单元m，反之b_n,m＝0。

其中，分布式天线系统中的每个天线单元仅仅为一个用户服务，多个天线单元可以协作为用户服务，为了避免同频干扰，每个子载波仅仅分配给一个天线单元，一个天线单元可以拥有多个子载波。

在本发明中，关于基于能效的最优功率分配算法如下所示：

1.初始化

拉格朗日因子λ，μ，最大迭代次数I_max，T_max，误差容忍门限值ε，κ，涉宅初始值迭代次数i＝0,t＝0，初始能效值q⁽⁰⁾＝0。

2.Repeat

3.Repeat

4.计算最优功率

5.更新拉格朗日因子λ，μ

6.更新迭代次数i＝i+1

7.If||λ(i+1)-λ(i)||₂＜κ和||μ(i+1)-μ(i)||₂＜κ或者i＝I_max

8.判定内层算法手链，输出功率P*,转到步骤11

9.Else

10.内层算法未收敛，返回到步骤4

11.计算能效q^(t)

12.If|R_tot(P^*)-q^(t)P_tot(P^*)|≤ε或者t＝I_max

13.判定外层算法收敛，输出最优功率P^*和转到步骤18

14.Else

15.外层算法未收敛，转到步骤1616.设置

17.更新迭代次数t＝t+1,返回步骤318.算法结束

以上显示和描述了本发明的基本原理和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，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1、建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中，该分布式天线系统A₁与相邻小区所建立的若干个分布式天线系统均存在信号范围交叉区域，每个交叉区域的大小范围控制在2％-5％，对每个交叉区域进行编号；

S2、收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据，获取在该分布式天线系统A₁中所有区域的用户使用天线单元的使用频率以及使用量情况，基带处理单元对各区域天线单元的使用频率以及功率损耗进行统计形成样本库；

S3、对样本库内高使用频率的天线单元区域进行区分，并判断是否属于或者临近信号交叉区域，若是，则通过该分布式天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布式天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中分布式天线系统A₁以及A₂所交叉区域内部的各天线单元共同分配该交叉区域内部的用户量。

2.根据权利要求1所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1中对每个交叉区域的编号原则为：若分布式天线系统A₁与分布式天线系统A₂之间形成交叉区域，则该交叉区域编号为该交叉区域/>其内部天线单元数量总和以及用户数量均记录于各分布式天线系统的样本库内部。

3.根据权利要求2所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1中建立以基带处理单元为圆心，半径为D覆盖整个小区的分布式天线系统A₁，其中还包括M个天线单元和K个用户随机分布在分布式天线系统内的不同地理位置，每个天线单元和用户均配置单根天线，分布式天线系统的总带宽被划分为N个正交子载波，每个子载波的带宽为B＝W/N，其中W为系统总带宽。

4.根据权利要求3所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述天线单元通过子载波向用户传输数据，用户k在子载波n上接收到来自天线单元m的信号表示为：

其中，p_k,n,m表示天线单元m在子载波n上到用户k的发送功率，x_k,n,m是发射符号，并且满足E(|x_k,n,m|²)＝1，h_k,n,m是相应的负荷衰落信道增益，它有大尺度衰落l_k,m和小尺度衰落g_k,n,m两部分组成，即h_k,n,m＝l_k,m*g_k,n,m

小尺度衰落是零均值单位方差的独立同分布复高斯随机变量，大尺度衰落包含阴影衰落和路径损耗两部分，表示为其中s_k,m表示对数阴影衰落变量，10log₁₀s_k,m是均值为零，标准差为σ_sh的高斯随机变量，c表示参考距离1km处的平均路径增益的中值，d_k,m为用户k与天线单元m之间的距离，α是路径损耗指数，z_k,n,m是加性白高斯噪声。

5.根据权利要求4所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2中收集一定期限内分布式天线系统A₁中基带处理单元的处理信息数据具体步骤包括：收集某一时间段内0-24h之内该分布式天线系统A₁通过天线单元发送的关于用户蜂窝网络使用信息数据，用户蜂窝网络使用信息数据具体包括用户位置分布情况，用户使用天线单元的时间分布情况以及能效使用情况。

6.根据权利要求5所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述步骤S2中功率损耗大小为该分布式天线系统的能量消耗，系统的功率损耗包括动态功率损耗P_dynamic和静态功率损耗P_static，写成P_tot＝P_dynamic+P_static

动态功率损耗是天线单元传输信号时消耗的功率，表示为其中τ是功放效率，P_t是传输功率，静态功率损耗包括M个天线单元的固定电路功率损耗Mp_{_cir}和回程链路传输信号消耗的功率p_h,表示为P_static＝Mp_{_cir}+p_h。

7.根据权利要求6所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述步骤S3中通过该分布式天线系统A₁内部的基带处理单元将属于该分布式天线系统的用户分流至与之形成交叉区域的分布式天线系统A₂中具体步骤如下：

S3.1、基带处理单元通过样本库中所记录的该交叉区域天线单元的某一高峰使用时间段，根据该时间段内的用户数量以及功耗对用户进行分配；

S3.2、该交叉区域所述的分布式天线系统A₁将该区域内初始30％的用户分流至分布式天线系统A₂；

S3.3、若该所述高峰使用时间段内分布式天线系统A₁的作业压力并没有得到明显缓解，则每隔特定时段，分布式天线系统A₁分流10％的用户至分布式天线系统A₂，直至分布式天线系统A₁的作业压力缓解为止。

8.根据权利要求7所述的一种分布式天线系统能效资源分配方法，其特征在于，所述分布式天线系统中的每个天线单元仅仅为一个用户服务，多个天线单元协作为用户服务，为了避免同频干扰，每个子载波仅仅分配给一个天线单元，一个天线单元拥有多个子载波。