CN104902574B - 一种基于能效的天线选择和功率分配方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于能效的天线选择和功率分配方法，所述方法包括：步骤S1)获取每个移动终端发送的信道状态信息；步骤S2)根据信道状态信息，将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集；计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值，其对应的天线组合为；再选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算，如果，则为最佳天线组合，否则，令N_tt＝N_tt+1，重复上述过程，直至发送天线集中的天线为所有的发送天线；步骤S3)对最佳天线组合中的发送天线采用二次分配的方式进行发送功率分配。本发明的方法有效避免了移动终端的能量过剩，实现了整个***能量的最大化利用，而且整个方法与现有方法相比运算复杂度大幅度降低。

Description

一种基于能效的天线选择和功率分配方法

技术领域

本发明涉及分布式移动通信***中的无线资源管理领域，具体涉及一种基于能效的天线选择和功率分配方法。

背景技术

随着能源需求和能量价格的持续上升，环境问题的不断加重，如何提高通信网络的能源效率、实现绿色通信受到广泛的研究与讨论。基站作为集中式天线***的核心，为了实现与边缘用户的可靠通信，保障用户的全部覆盖，需要消耗大量的能量。为了将基站的发送天线与用户尽可能的接近，提高能源利用率，由光纤连接地理上分离的天线单元组成的分布式天线***应运而生；它不仅能够减少接入距离、降低传输能量，还能增加***容量、扩大网络覆盖、改善边缘用户性能，在使用上获得了广泛的关注。

在分布式天线***中，合理的资源分配能够进一步改善***性能、提高功率效率。在天线选择和功率分配方面，目前大多数方法是根据发送端获得的信道状态信息(CSI)进行功率注水获得最优的功率分配值，通过判断分配功率的数值选择天线。但是，这些方法的能效值总是低于通过群举法的能效值，而天线选择和功率分配的组合搜索需要多次反复迭代才能确定最优组合。当分布式天线***中的分布式天线较多时，组合搜索方案因其复杂度过高，会产生额外的电路能耗，抵消它所节省的传输能量，并且，复杂度太高还会增加响应时间，无法满足在线用户需求。

发明内容

本发明的目的在于为克服目前分布式天线***中的天线选择和功率分配方法存在的上述缺陷，提出了一种基于能效的天线选择和功率分配方法，该方法能够在能效和运算复杂度之间达到均衡，在获得高能效的同时，大幅度降低***的运算复杂度。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于能效的天线选择和功率分配方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1)获取每个移动终端发送的信道状态信息，所述信道状态信息包括发送天线的大尺度衰落信息和信道噪声方差；

所述发送天线为发送端的天线，个数为N_t；所述发送端为分布式天线***中的基站和与基站相连的分布式天线单元；

步骤S2)根据信道状态信息，将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集；在每个天线发送功率相等的条件下，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为再选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算如果则为最佳天线组合，转入步骤3)；否则，再选择前N_tt+2个发送天线组成发送天线集，计算重复上述过程，直至发送天线集的个数等于N_t；

步骤S3)对最佳天线组合中的发送天线采用二次分配的方式进行发送功率分配，在第一次功率分配中，通过拉格朗日常数法得到第一根发送天线的闭式功率解，其它发送天线的功率值按照对应信道系数的比例计算得到；在第二次功率分配中，利用移动终端的误码率要求，调整发送天线的功率值，使移动终端的信号强度在误码率要求范围内最低。

上述技术方案中，所述步骤S2)具体包括：

步骤S201)依据移动终端的误码率要求和发送天线间的信道状态信息分布情况，确定发送天线的初始搜索个数N_tt，其中N_tt＜N_t；

步骤S202)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

每个发送天线组合对应的能效η_EE表示为：

其中，s_i∈0,1,i＝1...N_tt表示该发送天线组合中每个发送天线的选择情况，0表示未选择，1表示被选择；p_i，h_i分别表示第i根发送天线的功率值和大尺度衰落，令p_i＝p_max，其中p_max为每根天线的最大发送功率；p_C是发送天线的电路功耗；是信道噪声方差；p,s分别是功率分配向量和天线选择向量， R p,s，p_tot p,s表示单位带宽上瞬时容量和功耗；

步骤S203)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

步骤S204)判断是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)；否则，转入步骤205)；

步骤S205)判断N_tt+1＝N_t是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)，否则，令N_tt＝N_tt+1，转入步骤S203)；

步骤S206)得到发送天线的最佳组合s^*，天线选择过程结束。

上述技术方案中，所述步骤S3)具体包括：

步骤S301)对最佳天线组合中的发送天线进行第一次发送功率分配：通过拉格朗日常数法得到第一根发送天线的闭式功率解，其它发送天线的功率值按照对应信道系数的比例计算得到；

步骤S302)利用步骤S301)中得到的天线功率值，估算移动终端的信号强度γ₁：

步骤S303)计算γ₁与移动终端所需的最低信号强度γ₀的比值γ_p；

步骤S304)以γ_p为缩放参数，调整发送天线的功率值，得到每个天线的最佳的发送功率：

上述技术方案中，所述步骤S301)具体为：

基于发送端和移动终端对天线功率的限制，能效η_EE的最大化问题表示为：

s.t.0＜p_i≤p_max,1≤i≤N_opt (2)

其中，N_opt是最佳组合s^*中的天线个数，γ₀是移动终端的最低信噪比要求，依据移动终端的最低误码率来计算；

针对上述的最优化问题，利用拉格朗日常数法获得第一根发送天线的发送功率p₁：

其中，exp(x)为指数函数，w(x)为函数xexp x的反函数；

其余发送天线的功率p_i为：

本发明的优点在于：

1、在天线选择方面，本发明的方法根据移动终端反馈的部分信道状态信息，将发送天线的群举搜索转换为小范围内的天线组合搜索，能够实现以较小的迭代次数获得能效最优值的天线组合，简化了搜索过程，大幅度降低***的运算复杂度；

2、在功率分配方面，本发明的方法采用二次分配的方式，简化了分配过程，其中，在一次功率分配中，通过利用拉格朗日常数法得到第一根天线的闭式功率解后，其他天线的功率值直接按照对应信道系数的比例进行缩放；在二次功率分配中，通过利用移动终端的误码率要求，调整发送天线的功率值，使得移动终端的信号强度在误码率的要求范围内尽可能低，有效避免移动终端的能量过剩，实现了***能量的最大化利用；

3、本发明提出的方法在满足多天线移动通信***对运算复杂度的要求下，有效地避免了移动终端的能量过剩，实现了***的能效最大化。

附图说明

图1为分布式天线***的通信示意图；

图2为本发明的基于能效的天线选择和功率分配方法的流程图；

图3为本发明的方法中的天线选择过程示意图；

图4为本发明的方法中的功率分配过程示意图。

附图标识：

10、分布式天线*** 102、基站 103、分布式天线单元

104、移动终端

具体实施方式

如图1所示，分布式天线***10包括：基站102、分布式天线单元103和移动终端104；所述基站102的个数为1，用于完成数据的集中处理，所述基站102包括4根天线，但基站102不限于包括4根天线；所述分布式天线单元103的个数为4，但不局限于4，所述每个分布式天线单元103有1根天线，但并不局限于只有1根天线；所述移动终端104的个数为3，但不局限于3，所述移动终端104有1个天线，但不局限于只有1根天线。

所述分布式天线单元103分布在小区边缘，通过高速的宽带光纤与基站102相连，共同构成***的发送端，发送天线为所述发送端的天线，其个数N_t＝8。通过所述基站102对分布式天线单元103进行统一控制，可以实现基站和分布式天线单元的协作通信，完成对移动终端的联合收发处理。

下面结合附图对本发明做进一步详细地说明。

如图2所示，一种基于能效的天线选择和功率分配方法，具体包括以下步骤：

步骤S1)获取每个移动终端发送的信道状态信息，所述信道状态信息包括发送天线的大尺度衰落信息和信道噪声方差；

步骤S2)根据信道状态信息，将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集；在每个天线发送功率相等的条件下，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为再选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算如果则为最佳天线组合，转入步骤3)；否则，再选择前N_tt+2个发送天线组成发送天线集，计算重复上述过程，直至发送天线集的个数等于N_t；

如图3所示，所述步骤S2)具体包括：

步骤S201)依据移动终端的误码率要求和发送天线间的信道状态信息分布情况，确定发送天线的初始搜索个数N_tt，其中N_tt＜N_t；

优选的，在移动终端的误码率要求较低、且容易满足的条件下，当发送天线的大尺度衰落比较一致时，N_tt＝4；当发送天线的大尺度衰落差距较大时，N_tt＝2。

步骤S202)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

每个发送天线组合对应的能效η_EE表示为：

其中，s_i∈0,1,i＝1...N_tt表示该发送天线组合中每个发送天线的选择情况，0表示未选择，1表示被选择；p_i，h_i分别表示第i根发送天线的功率值和大尺度衰落，为了简化搜索过程，令p_i＝p_max，其中p_max为每根天线的最大发送功率；p_C是发送天线的电路功耗；是信道噪声方差；p,s分别是功率分配向量和天线选择向量，Rp,s，p_tot p,s表示单位带宽上瞬时容量和功耗。

步骤S203)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

步骤S204)判断是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)；否则，转入步骤205)；

步骤S205)判断N_tt+1＝N_t是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)，否则，令N_tt＝N_tt+1，转入步骤S203)；

步骤S206)得到发送天线的最佳组合s^*，天线选择过程结束。

步骤S3)对最佳天线组合中的发送天线进行发送功率分配；

如图4所示，所述步骤S3)具体包括：

步骤S301)对最佳天线组合中的发送天线进行第一次发送功率分配；

基于发送端和移动终端对天线功率的限制，能效η_EE的最大化问题可以表示为：

s.t.0＜p_i≤p_max,1≤i≤N_opt (2)

其中，N_opt是最佳组合s^*中的发送天线个数，γ₀是移动终端的最低信噪比要求，依据移动终端的最低误码率来计算。

针对上述的最优化问题，利用拉格朗日常数法可以获得第一根天线的发送功率p₁，

其中，exp(x)为指数函数，w(x)为函数xexp x的反函数；

其余发送天线的功率p_i为：

步骤S302)利用步骤S301)中得到的天线功率值，估算移动终端的信号强度γ₁：

步骤S303)计算γ₁与移动终端所需的最低信号强度γ₀的比值γ_p；

步骤S304)以γ_p为缩放参数，调整发送天线的功率值，得到每个发送天线的最佳的发送功率：

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。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 (3)

1.一种基于能效的天线选择和功率分配方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1)获取每个移动终端发送的信道状态信息，所述信道状态信息包括发送天线的大尺度衰落信息和信道噪声方差；

所述发送天线为发送端的天线，个数为N_t；所述发送端为分布式天线***中的基站和与基站相连的分布式天线单元；

步骤S2)根据信道状态信息，将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集；在每个天线发送功率相等的条件下，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为再选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算如果则为最佳天线组合，转入步骤S3)；否则，再选择前N_tt+2个发送天线组成发送天线集，计算重复上述过程，直至发送天线集的个数等于N_t；

步骤S3)对最佳天线组合中的发送天线采用二次分配的方式进行发送功率分配，在第一次功率分配中，通过拉格朗日常数法得到第一根发送天线的闭式功率解，其它发送天线的功率值按照对应信道系数的比例计算得到；在第二次功率分配中，利用移动终端的误码率要求，调整发送天线的功率值，使移动终端的信号强度在误码率要求范围内最低；

所述步骤S3)具体包括：

步骤S301)对最佳天线组合中的发送天线进行第一次发送功率分配：通过拉格朗日常数法得到第一根发送天线的闭式功率解，其它发送天线的功率值按照对应信道系数的比例计算得到；

步骤S302)利用步骤S301)中得到的天线功率值，估算移动终端的信号强度γ₁：

p_i，h_i分别表示第i根发送天线的功率值和大尺度衰落，是信道噪声方差；N_opt是最佳天线组合中的天线个数；

步骤S303)计算γ₁与移动终端所需的最低信号强度γ₀的比值γ_p；

步骤S304)以γ_p为缩放参数，调整发送天线的功率值，得到每个发送天线的最佳的发送功率：

2.根据权利要求1所述的基于能效的天线选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S2)具体包括：

步骤S201)依据移动终端的误码率要求和发送天线间的信道状态信息分布情况，确定发送天线的初始搜索个数N_tt，其中N_tt＜N_t；

步骤S202)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

每个发送天线组合对应的能效η_EE表示为：

其中，s_i∈{0,1},i＝1…N_tt表示该发送天线组合中每个发送天线的选择情况，0表示未选择，1表示被选择；p_i，h_i分别表示第i根发送天线的功率值和大尺度衰落，令p_i＝p_max，其中p_max为每根天线的最大发送功率；p_C是发送天线的电路功耗；是信道噪声方差；p,s分别是功率分配向量和天线选择向量， R(p,s)，p_tot(p,s)表示单位带宽上瞬时容量和功耗；

步骤S203)将所有发送天线的信道条件按照优劣进行排序，选择前N_tt+1个发送天线组成发送天线集，计算发送天线集内所有发送天线组合的能效最优值其对应的天线组合为

步骤S204)判断是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)；否则，转入步骤205)；

步骤S205)判断N_tt+1＝N_t是否成立，如果判断结果是肯定的，最佳的天线组合为转入步骤S206)，否则，令N_tt＝N_tt+1，转入步骤S203)；

步骤S206)得到发送天线的最佳组合s^*，天线选择过程结束。

3.根据权利要求1所述的基于能效的天线选择和功率分配方法，其特征在于，所述步骤S301)具体为：

基于发送端和移动终端对天线功率的限制，能效η_EE的最大化问题表示为：

其中，N_opt是最佳组合s^*中的天线个数，γ₀是移动终端的最低信噪比要求，依据移动终端的最低误码率来计算；p_max为每根天线的最大发送功率；p_C是发送天线的电路功耗；

针对上述的最优化问题，利用拉格朗日常数法获得第一根发送天线的发送功率p₁：

其中，exp(x)为指数函数，ω(x)为函数xexp(x)的反函数；

其余发送天线的功率p_i为：