一種分布式天線系統中高能效的功率分配方法與流程
本發明屬于移動通信領域，涉及移動通信系統的資源分配方法，尤其是涉及一種分布式天線系統中高能效的功率分配方法。
背景技術：
隨著移動通信系統的不斷發展，移動用戶迅猛增加，用戶對移動通信業務種類和通信質量的要求也在不斷提高，各個運營商都在不斷增大網絡的覆蓋范圍、增加基站數目和容量。但是，基站越建越多，消耗的能源也也呈指數型增長。面對全球能源日益緊張的局面，國內外研究機構正不斷地尋求有著更高能量效率(ee，energyefficiency)的傳輸技術，“綠色通信”也成為人們廣泛關注的話題。找到一種能有效提高系統能量效率的傳輸技術正成為未來無線通信的趨勢。
分布式天線系統(das，distributedantennasystem)是一種將發送天線布置在小區不同位置的天線系統，系統中的每個發送天線通過光纖、同軸電纜或無線鏈路與小區的中央處理器相連。研究表明，分布式天線系統在容量、能耗和覆蓋范圍方面相較于傳統集中式天線系統有著巨大的優勢。在相同頻譜效率下，分布式天線系統能有效地減少移動臺所需的接入距離，即擴大基站的覆蓋范圍，降低系統發送端的發射功率。另外das解決方案可以提高頻譜效率，降低信號傳輸的成本。分布式天線系統不論在提高系統容量、降低發射功率、提高分集度，還是在減少切換次數，降低中斷概率等方面都顯出了傳統蜂窩系統不可比擬的優勢，被認為是傳統蜂窩系統的理想替代方案之一。
功率分配一直是分布式天線系統的研究熱點之一。由于用戶到各個發送天線之間的距離不等，因此每個天線到用戶之間的信道條件也不一樣。為提高能量效率，das系統的天線不一定都用來發送信號給用戶，可以有選擇的讓用戶和若干個發送天線進行通信，即根據每個天線到用戶的信道情況，分配給每個天線不同的發送功率。這樣能提高系統整體的能量效率，減少不必要的功率開銷。文獻1(xinchen，xiaodongxu，xiaofengtao.energyefficientpowerallocationingeneralizeddistributedantennasystem[j].ieeecommunicationsletters，2012，16(7)：1022-1025.)把該問題當作分式規劃問題，用一般的優化求解方法得到了一個迭代算法。文獻2(heejinkim，sang-rimlee，changicksong，kyoung-jaelee，inkyulee，optimalpowerallocationschemeforenergyefficiencymaximizationindistributedantennasystems[j].ieeetransactionsoncommunications，2015，63(2)：431-440.)則利用karush-kuhn-tucker(kkt)條件求得了功率分配問題的閉式形式，并根據朗伯函數給出了閉式解。在以往的研究中，功率分配問題的求解一般需要迭代計算，而有閉式解的方法復雜度又很高，因此亟需開發一種既能直接給出閉式解，而且復雜度較低的方法。
技術實現要素：
發明目的：為提高分布式天線系統的能量效率，本發明提出一種分布式天線系統中高能效的功率分配方法。該方法利用各個分布式天線到用戶之間的信道增益與噪聲功率比，以計算得到系統分配給每個分布式天線的功率。
為實現上述技術效果，本發明提出的技術方案為：
一種分布式天線系統中高能效的功率分配方法，該方法包括以下步驟：
(1)對分布式天線系統中任意一用戶u，獲取分布式天線系統中每個遠程天線到用戶u的信道增益與噪聲功率比；為各遠程天線分配序號，使到用戶u的信道增益與噪聲功率比值越大的遠程天線排序越靠前，即各遠程天線到用戶u的信道增益與噪聲功率比排列為：γ1＞…＞γi…＞γn；其中，γi表示第i根遠程天線到用戶u的信道增益與噪聲功率比，n為遠程天線個數；
(2)建立分布式天線系統的能量效率模型為：
式中，ηee表示分布式天線系統的能量效率，pc為系統的環路功率消耗；式中，pi表示第i根遠程天線的發射功率；
(3)以能量效率最大化為目標問題求解能量效率模型，求解步驟包括：
(3-1)將能量效率模型分段為以下形式：
式中，pmax，i表示第i根遠程天線的最大發射功率；
(3-2)對vk(pk)進行求導，并計算vk(pk)導數的分子為：
(3-3)計算{v2(0)，...，vn(0)}中值最大的一項，記為vk；
(3-4)計算ak(0)的值；若ak(0)＞0，則計算n0＝k，否則，計算n0＝k-1；n0表示滿足分布式天線系統能量效率最大化的用于傳輸信號的遠程天線數量；
(3-5)計算
式中，w()為朗伯w函數；
(3-6)根據步驟(3-5)得到的
即分布式天線系統給第n0根遠程天線分配的功率為
進一步的，所述每根遠程天線到到用戶u的信道增益與噪聲功率比的計算公式如下：
其中，hi＝giωi；gi表示第i根遠程天線到移動臺的小尺度衰落，ωi表示第i根遠程天線到移動臺的大尺度衰落。
有益效果：與現有技術相比，本發明具有以下優點：
能獲得能量效率的最大化，通過給各個遠程天線分配特定的功率，使得系統的能量效率盡可能地得到提高。能夠得到功率分配的閉式表達式，避免了復雜的迭代計算。充分考慮了功率分配的各種情況，盡可能地降低了朗伯函數的計算次數。方法計算流程簡單，復雜度低。
附圖說明
圖1為本發明實施例的流程圖；
圖2為本發明實施例中分布式天線系統的模型圖；
圖3為實施例的仿真結果與傳統功率分配算法的仿真結果對比圖。
具體實施方式
為了闡明本發明的技術方案及技術目的，下面結合附圖及具體實施方式對本發明做進一步的介紹。
本發明涉及到的硬件裝置包括分布在小區不同位置的遠程天線、和每個遠程天線相連接的中央處理單元(cpu，centralprocessingunit)、小區內接受服務的移動臺(ms，mobilestation)。在本實施中，如附圖2所示，有n個分散放置在小區內的遠程天線，記為rai，i＝1，...，n。每個遠程天線配有1根天線，并通過特定傳輸通道連接到中央處理單元。小區內移動臺(ms)有一根或多個天線。定義hi為第i根遠程天線到移動臺的信道衰落系數，定義
圖1所示為本實施例的流程圖，包括以下步驟：
步驟1：對于分布式天線系統中的任意一移動臺u，獲取每根遠程天線到移動臺u的信道衰落系數和移動臺復高斯白噪聲的功率，并計算得到每根遠程天線到移動臺的信道增益與噪聲功率比，計算公式如下：
其中，hi一般由大尺度衰落和小尺度衰落共同決定，即hi＝giωi。gi表示第i根遠程天線到移動臺的小尺度衰落，常用的小尺度衰落模型有瑞利衰落和賴斯衰落等。ωi表示第i根遠程天線到移動臺的大尺度衰落，一般包括路徑損耗和陰影衰落。
分布式天線系統的中央處理單元將每根遠程天線到移動臺的信道增益與噪聲功率比按降序排列，并根據信道增益與噪聲功率比從大到小的順序為各遠程天線分配序號，使到用戶u的信道增益與噪聲功率比值越大的遠程天線排序越靠前，即各遠程天線到用戶u的信道增益與噪聲功率比排列為：
γ1＞…＞γi…＞γn
中央處理單元建立一個待優化的功率分配向量p＝[p1，p2，...，pn]t，其中，pi表示第i根遠程天線的發射功率，即pi和γi按順序一一對應。
步驟2構建分布式天線系統能量效率模型為：
其中，pmax，i表示第i根發送天線的最大發射功率，pc為系統的環路功率消耗。通過拉格朗日乘數法，可以證明上述分布式天線系統能量效率模型的最優解一定滿足以下一般形式：
p*＝[pmax，1，...，pmax，k-1，pk，0，...，0]t
將該一般形式代入能量效率的定義中，并對k從1到n進行遍歷，從而把能量效率的原式轉化為以下分段函數：
對該函數求導后發現，該導數的符號只與其分子有關，分布式天線系統的信號處理單元只需計算導數的分子，即：
信號處理單元分別計算{v2(0)，...，vn(0)}，并找出其中最大的一項的下標，記為k。接著計算ak(0)，若ak(0)＞0，則計算n0＝k，否則計算n0＝k-1。n0表示滿足分布式天線系統能量效率最大化的用于傳輸信號的遠程天線數量，即分布式天線系統決定用第1到第n0根遠程天線來傳輸信號。
步驟3根據步驟2得到的n0，計算
若
其中，w()為朗伯w函數。
步驟4根據步驟3得到的
即分布式天線系統的中央處理單元給第n0根遠程天線分配的功率為
為了說明本發明相對于現有技術的技術效果，本實施例中通過matlab平臺模擬仿真，來對比以往的迭代算法和本發明在不同最大功率限制條件下的能量效率，仿真結果如圖3所示。
仿真中為便于分析，設置每個遠程天線的最大功率都等于一個特定值pmax。圖3中給出了分布式天線系統在不同pmax和不同n下的能量效率值。其中，方法1代表本發明提出的方法，方法2代表以往的迭代算法。仿真結果表明本發明所提出的方法能與以往迭代算法取得完全一致的能量效率性能，而兩種方法給出的功率分配都是能效優化問題的最優解。同時，本方法不需要迭代計算，能得到閉式解，計算復雜度低。從圖3可以看出，隨著天線功率上限pmax的增大，系統能量效率先增大，后達到飽和。另外，隨著系統遠程天線數目的增大，系統能量效率明顯增大，這是因為遠程天線越多，系統更有可能選到較好的功率分配方案。
綜上所述，本發明提出的方法能有效地獲得能使能量效率達到最大的最優功率分配，同時方法實現的步驟較少，復雜度低，能獲得閉式解，且不需要迭代計算。這充分說明了本發明提出的一種分布式天線系統中高能效的功率分配方法的有效性。
以上顯示和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點。本行業的技術人員應該了解，本發明不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是說明本發明的原理，在不脫離本發明精神和范圍的前提下，本發明還會有各種變化和改進，本發明要求保護范圍由所附的權利要求書、說明書及其等效物界定。
以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對于本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護范圍。
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