本發(fā)明屬于通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種分布式聯(lián)合多用戶發(fā)送波束賦形方法，可用于分布式天線系統(tǒng)中設(shè)計(jì)具有最大能量效率的發(fā)送波束向量。

背景技術(shù)：

目前，信息和通信行業(yè)已經(jīng)占據(jù)了超過3％的全球能源消耗，并且還在快速的增長。在無線通信領(lǐng)域，新型多媒體業(yè)務(wù)的不斷涌現(xiàn)和無處不在的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)使得無線接入網(wǎng)絡(luò)消耗了超過70％的能量資源。因此，實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)的節(jié)能減排，提高無線接入傳輸?shù)哪芰啃适菍?shí)現(xiàn)綠色通信的必然途徑。

分布式天線系統(tǒng)通過按照某種規(guī)則或者隨機(jī)的將天線單元部署在小區(qū)內(nèi)的不同位置，縮短了用戶與網(wǎng)絡(luò)接入點(diǎn)之間的距離，能夠有效的降低信號在無線信道中傳輸時所經(jīng)歷的衰落，在提高系統(tǒng)的能量效率方面具有先天的優(yōu)勢。由于信號的發(fā)送與處理功能分離，導(dǎo)致分布式系統(tǒng)具有與集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)完全不同的系統(tǒng)功耗模型。同時分布式天線單元與系統(tǒng)中央處理單元之間的系統(tǒng)回程鏈路也會消耗一定的功率資源，并且這部分功耗的大小與用戶的協(xié)作天線集合選擇密切相關(guān)。因此，為提高每焦耳能量傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)，需要設(shè)計(jì)合理的分布式天線系統(tǒng)功耗模型、確定用戶的協(xié)作天線集合，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)具有能量效率最大化的聯(lián)合多用戶發(fā)送波束賦形向量。

目前，已有一些文獻(xiàn)研究了分布式天線系統(tǒng)的能量效率問題，如A.Attar在IEEE Wirel.Commun.，2011，18(5)：66-74《Green last mile:How fiber connected massively distributed antenna systems can save energy》一文通過仿真實(shí)驗(yàn)證明了分布式天線系統(tǒng)具有比傳統(tǒng)蜂窩網(wǎng)絡(luò)和家庭基站架構(gòu)更高的能量效率。C.L.He在IEEE J.Sel.Areas Commun.，2013，31(5)：894-902《Energy and spectral efficiency tradeoff for distributed antenna systems with proportional fairness》一文中研究了具有用戶傳輸速率比例公平約束的能效最大化問題，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法獲得了具有最大能量效率的天線功率分配方法。但是該方法中假設(shè)每個天線單元只具有一個發(fā)送天線，且用戶之間不存在干擾，很難擴(kuò)展應(yīng)用。L.Zhong在Mobile Netw.Appl.2012，17(1)：36-44《Energy-efficient resource allocation in mobile networks with distributed antenna transmission》一文中研究了基于聯(lián)合波束賦形的分布式天線系統(tǒng)能量效率問題，通過自適應(yīng)的資源分配和干擾抑制實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的能量效率和更高的系統(tǒng)容量。但是該方法并沒有考慮到回程鏈路上的功率消耗對于整個系統(tǒng)能量效率的影響。

本發(fā)明針對分布式天線系統(tǒng)中的能量效率最大化問題，建立了合理的分布式天線系統(tǒng)功耗模型，綜合運(yùn)用凸松弛方法、權(quán)重因子迭代和Dinkelbach搜索機(jī)制實(shí)現(xiàn)了近似最優(yōu)的聯(lián)合多用戶發(fā)送波束賦形向量設(shè)計(jì)，能夠在保證用戶QoS需求基礎(chǔ)上有效提高分布式天線系統(tǒng)的能量效率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提出一種適用于分布式天線系統(tǒng)的波束賦形方法，通過聯(lián)合發(fā)送波束賦形向量設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)保證用戶的QoS需求和最大化每焦耳能量所傳輸?shù)臄?shù)據(jù)比特?cái)?shù)。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的技術(shù)關(guān)鍵在于首先建立最大化分布式天線系統(tǒng)能量效率的優(yōu)化問題；然后利用凸優(yōu)化理論對優(yōu)化問題進(jìn)行松弛、求解；最后利用權(quán)重因子迭代的方法構(gòu)造具有組稀疏性的發(fā)送波束賦形向量。一種適用于分布式天線系統(tǒng)能量效率最大化的波束賦形方法，具體實(shí)現(xiàn)步驟包括如下：

(1)構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)中每個用戶的接收信號，并計(jì)算每個用戶獲得的傳輸速率；構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)的功率消耗模型，并根據(jù)得到的傳輸速率計(jì)算整個分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗；根據(jù)總功率消耗構(gòu)造分布式天線系統(tǒng)能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)；

(2)對能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)引入當(dāng)前等效因子得到等效目標(biāo)函數(shù)，對等效目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行凸松弛處理得到凸目標(biāo)函數(shù)；

(3)以每個用戶的QoS需求和每個天線單元的發(fā)射功率限制為約束條件，采用凸優(yōu)化理論求解凸目標(biāo)函數(shù)，得到松弛后的波束賦形向量，并根據(jù)松弛后的波束賦形向量計(jì)算得到每個用戶接收信號的SINR值；

(4)對每個天線單元給每個用戶發(fā)送信號所消耗的發(fā)射功率引入權(quán)重因子，得到加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)；

(5)以每個用戶接收信號的SINR值和每個天線單元的發(fā)射功率限制為約束條件，采用凸優(yōu)化理論求解加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)，得到加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)值和引入權(quán)重因子后的波束賦形向量；

(6)根據(jù)加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算得到加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值；根據(jù)引入權(quán)重因子后的波束賦形向量計(jì)算得到當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗；

(7)比較加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值與收斂門限的大小，若加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值大于收斂門限，則根據(jù)引入權(quán)重因子后的波束賦形向量更新權(quán)重因子，轉(zhuǎn)入步驟(4)；否則，找出引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量，根據(jù)該波束賦形向量計(jì)算當(dāng)前的等效目標(biāo)函數(shù)值和所有用戶得到的傳輸速率之和；

(8)比較當(dāng)前的等效目標(biāo)函數(shù)值與搜索門限的大小，若等效目標(biāo)函數(shù)值大于搜索門限，則計(jì)算得到新的等效因子，將新的等效因子作為當(dāng)前等效因子，轉(zhuǎn)入步驟(2)；否則，引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量就是最大化分布式天線系統(tǒng)能量效率的波束賦形向量。

其中所述的步驟(1)具體包括步驟：

(101)構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)中每個用戶的接收信號，并計(jì)算每個用戶獲得的傳輸速率；

(102)根據(jù)得到的各個用戶的傳輸速率，計(jì)算分布式天線系統(tǒng)的各個回程鏈路上的總傳輸速率C_n，

其中，r_k表示第k個用戶得到的傳輸速率，D_n表示第n個天線單元服務(wù)的用戶集合；

(103)構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)的功率消耗模型，并計(jì)算計(jì)算整個分布式天線系統(tǒng)的功率消耗：

其中，P_T表示分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗，N表示分布式天線系統(tǒng)中的天線單元數(shù)，K表示分布式天線系統(tǒng)中的用戶數(shù)，ε表示天線單元的功率效率，p_k,n表示第n個天線單元在給第k個用戶發(fā)送信號的發(fā)射功率消耗，C_n表示第n個天線單元到分布式天線系統(tǒng)中央處理單元的回程鏈路上的總傳輸速率，C_bh表示分布式天線系統(tǒng)的回程鏈路傳輸容量，P_bh表示分布式天線系統(tǒng)回程鏈路在滿速率傳輸時的功率消耗，P_c表示天線單元的電路功率消耗，P_sp表示分布式天線系統(tǒng)的中央處理單元的信號處理功率消耗；

(104)計(jì)算分布式天線系統(tǒng)中所有用戶的傳輸速率和并構(gòu)造分布式天線系統(tǒng)能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)η_EE＝R_T/P_T，其中，η_EE表示分布式天線系統(tǒng)的能量效率。

其中所述的步驟(2)，具體包括步驟：

(201)對目標(biāo)函數(shù)引入等效因子λ，得到等效目標(biāo)函數(shù)Γ(λ)＝R_T-λP_T；

(202)采用1-范數(shù)凸包絡(luò)形式對等效目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行松弛，得到初步松弛的目標(biāo)函數(shù)：

其中，w_k,n表示第n個天線單元給第k個用戶發(fā)送信號的波束向量；

(203)采用一階泰勒級數(shù)展開對得到的初步松弛的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行再次松弛，得到最終的凸目標(biāo)函數(shù)：

其中，B表示分布式天線系統(tǒng)的系統(tǒng)帶寬，W表示由所有天線單元對所有用戶的發(fā)送波束向量組成的波束矩陣，W_k表示由所有天線單元對第k個用戶的發(fā)送波束向量組成的波束矩陣，表示g_k(W)的一階泰勒級數(shù)近似，

表示無線信道的加性高斯白噪聲的方差，H_k表示由所有天線單元與第k個用戶之間的信道衰落向量組成的信道矩陣。

本發(fā)明相比背景技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1、本發(fā)明綜合考慮了分布式天線系統(tǒng)中天線單元的發(fā)射功率和電路功率功耗，以及分布式天線系統(tǒng)的回程鏈路功率消耗，適用于分布式天線系統(tǒng)的能量效率優(yōu)化；

2、本發(fā)明采用引入等效因子、1-范數(shù)松弛和一階泰勒級數(shù)展開等方法，能夠得到等效的近似凸目標(biāo)函數(shù)，并采用連續(xù)凸近似迭代、權(quán)重因子迭代和Dinkelbach搜索算法，能夠計(jì)算能量效率最大化的發(fā)送波束賦形向量；

3、本發(fā)明提出的發(fā)送波束賦形方法，適用于分布式天線系統(tǒng)，通過波束賦形向量的聯(lián)合設(shè)計(jì)，能夠在滿足用戶QoS需求的同時最大化分布式天線系統(tǒng)的能量效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的應(yīng)用場景圖；

圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖3是本發(fā)明與現(xiàn)有波束賦形算法的用戶和速率性能比較圖；

圖4是本發(fā)明與現(xiàn)有波束賦形算法的系統(tǒng)總功耗性能比較圖；

圖5是本發(fā)明與現(xiàn)有波束賦形算法的系統(tǒng)能量效率比較圖；

具體實(shí)施方式

以下對本發(fā)明的原理以及技術(shù)方案做進(jìn)一步的描述。

參照圖2，本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程包括如下：

步驟1構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)中每個用戶的接收信號，并計(jì)算每個用戶獲得的傳輸速率；構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)的功率消耗模型，并根據(jù)得到的傳輸速率計(jì)算整個分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗；根據(jù)總功率消耗構(gòu)造分布式天線系統(tǒng)能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)；具體包括步驟：

(1.1)構(gòu)建分布式天線系統(tǒng)中每個用戶的接收信號：

其中，A_k表示為第k個用戶聯(lián)合發(fā)送信號的天線單元集合，w_k,n表示第n個天線單元給第k個用戶發(fā)送信號的波束向量，h_k,n表示第n個天線單元與第k個用戶之間的信道衰落向量；

(1.2)根據(jù)香農(nóng)定理，計(jì)算每個用戶獲得的傳輸速率：

(1.3)計(jì)算分布式天線系統(tǒng)的各個回程鏈路上的總傳輸速率

(1.4)計(jì)算整個分布式天線系統(tǒng)的功率消耗：

(1.5)計(jì)算分布式天線系統(tǒng)中所有用戶的傳輸速率之和

(1.6)構(gòu)造分布式天線系統(tǒng)能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)：η_EE＝R_T/P_T。

步驟2對能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)引入當(dāng)前等效因子得到等效目標(biāo)函數(shù)，對等效目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行凸松弛處理得到凸目標(biāo)函數(shù)；具體包括步驟：

(2.1)對能量效率最大化的目標(biāo)函數(shù)引入當(dāng)前等效因子λ，得到等效目標(biāo)函數(shù)Γ(λ)＝R_T-λP_T；

(2.2)采用1-范數(shù)凸包絡(luò)形式對等效目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行松弛，得到初步松弛的目標(biāo)函數(shù)：

(2.3)采用一階泰勒級數(shù)展開對得到的初步松弛的目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行再次松弛，得到最終的凸目標(biāo)函數(shù)：

其中，W表示由所有天線單元對所有用戶的發(fā)送波束向量組成的波束矩陣，表示g_k(W)的一階泰勒級數(shù)近似；

步驟3以每個用戶的QoS需求和每個天線單元的發(fā)射功率限制為約束條件，采用凸優(yōu)化理論求解凸目標(biāo)函數(shù)，得到松弛后的波束賦形向量，并根據(jù)松弛后的波束賦形向量計(jì)算得到每個用戶接收信號的SINR值；具體包括步驟：

(3.1)建立每個用戶的QoS約束：其中表示第k個用戶的傳輸速率需求；

(3.2)建立每個天線單元的發(fā)射功率約束：其中表示第n個天線單元的最大發(fā)射功率限制；

(3.3)利用MRT方法確定初始化發(fā)送波束向量矩陣采用連續(xù)凸近似迭代方法求解如下優(yōu)化問題，得到波束賦形矩陣W^*，

其中，表示Hadamard乘積，X_n為一個對角矩陣用于保證

(3.5)對得到波束賦形矩陣W^*進(jìn)行秩1分解，計(jì)算得到每個天線單元對每個用戶的波束賦形向量并計(jì)算每個用戶得到的SINR值：

步驟4對每個天線單元給每個用戶發(fā)送信號所消耗的發(fā)射功率引入權(quán)重因子，得到加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)；具體包括步驟：

(4.1)初始化權(quán)重因子迭代次數(shù)i＝0，令權(quán)重因子初始值為

(4.2)構(gòu)造加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)：

步驟5以每個用戶接收信號的SINR值和每個天線單元的發(fā)射功率限制為約束條件，采用凸優(yōu)化理論求解加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)，得到加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)值和引入權(quán)重因子后的波束賦形向量；

以每個用戶接收信號的SINR值和每個天線單元的發(fā)射功率限制為約束條件，采用凸優(yōu)化工具箱求解加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)，得到發(fā)射功率加權(quán)后的引入權(quán)重因子后的波束賦形向量計(jì)算加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)值加權(quán)發(fā)射功率最小化優(yōu)化問題為：

步驟6根據(jù)加權(quán)發(fā)射功率最小化的目標(biāo)函數(shù)值計(jì)算得到加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值；根據(jù)引入權(quán)重因子后的波束賦形向量計(jì)算得到當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗；

計(jì)算加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值

對得到的發(fā)射功率加權(quán)后的波束賦形矩陣進(jìn)行秩1分解，計(jì)算得到每個天線單元對每個用戶的波束賦形向量并計(jì)算當(dāng)前分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗P_T[i]；

步驟7比較加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值與收斂門限的大小，若加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值大于收斂門限，則根據(jù)引入權(quán)重因子后的波束賦形向量更新權(quán)重因子，轉(zhuǎn)入步驟(4)；否則，找出引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量，根據(jù)該波束賦形向量計(jì)算當(dāng)前的等效目標(biāo)函數(shù)值和所有用戶得到的傳輸速率之和；

若加權(quán)發(fā)射功率最小化目標(biāo)函數(shù)的相對值成立，其中κ為收斂門限值，則根據(jù)計(jì)算新的權(quán)重因子值，其中δ為一個很小的正數(shù)，然后轉(zhuǎn)入步驟(4)；否則，比較找出引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量其中并計(jì)算所有用戶得到的傳輸速率之和分布式天線系統(tǒng)的總功率消耗P_T[i^*]、等效目標(biāo)函數(shù)值

步驟8比較當(dāng)前的等效目標(biāo)函數(shù)值與搜索門限的大小，若等效目標(biāo)函數(shù)值大于搜索門限，則計(jì)算得到新的等效因子，將新的等效因子作為當(dāng)前等效因子，轉(zhuǎn)入步驟(2)；否則，引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量就是最大化分布式天線系統(tǒng)能量效率的波束賦形向量。

若等效目標(biāo)函數(shù)值Γ(λ)＞θ，其中θ為搜索門限，則根據(jù)計(jì)算新的等效因子，轉(zhuǎn)入步驟(2)；否則，將引入權(quán)重因子后得到最小分布式天線系統(tǒng)總功率消耗的波束賦形向量作為最大化分布式天線系統(tǒng)能量效率的波束賦形向量。

以下通過一個仿真實(shí)驗(yàn)對本發(fā)明的技術(shù)效果做詳細(xì)描述：

1)仿真的系統(tǒng)參數(shù)

仿真的場景如圖1所示，考慮小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布7個用戶，每個用戶只具有1個接收天線。同時小區(qū)內(nèi)隨機(jī)分布7個天線單元，每個天線單元具有3個發(fā)射天線。系統(tǒng)帶寬為5MHz，每個用戶的傳輸速率需求為1Mbps。協(xié)作天線集合選擇因子θ＝0.1，回程鏈路容量C_bh＝100Mbps，回程鏈路最大功耗P_bh＝20W。

2)仿真內(nèi)容與結(jié)果

在天線單元最大發(fā)射功率變化的條件下，對比用戶和速率最大化方法(SR)、系統(tǒng)發(fā)射功率最小化方法(TP)和本發(fā)明提出的能量效率最大化方法(EE)在用戶和速率、系統(tǒng)總功耗和系統(tǒng)能量效率上的性能，得到如圖3、圖4和圖5所示結(jié)果。

從圖3中可以看出，由于SR方法追求最大化的系統(tǒng)中所有用戶的傳輸速率之和，隨著天線單元的發(fā)射功率的增大，用戶和速率也會一直增大。相比之下，TP方法為降低系統(tǒng)功耗，只保證用戶獲得等于其QoS需求的最小傳輸速率。本發(fā)明提出的EE方法獲得的用戶和速率介于TP和SR方法之間。

從圖4中可以看出，SR方法消耗的系統(tǒng)總功耗一直隨著天線單元的發(fā)射功率的增大而增大。在發(fā)射功率較小時，TP和EE的總功耗會逐漸增大，隨著發(fā)射功率的進(jìn)一步增大，系統(tǒng)的總功耗就開始維持不變。

從圖5中可以看到，SR方法的能量效率一直下降，這是因?yàn)樵谧非筝^大用戶傳輸速率時需要消耗非常多的發(fā)射功率來抵消用戶之間的干擾。而TP方法只保證用戶的最低傳輸速率需求，并沒有考慮系統(tǒng)的能量效率問題，系統(tǒng)能量效率開始下降，然后趨于不變。本發(fā)明提出的EE方法始終能夠獲得最大的系統(tǒng)能量效率，并且隨著用戶速率和系統(tǒng)功耗的穩(wěn)定逐漸穩(wěn)定。