一種大規模天線系統低復雜度功率分配方法
【專利摘要】本發明公開了一種大規模天線系統低復雜度功率分配方法：首先，將優化系統吞吐量和優化系統功耗建模為有約束的多目標優化問題；然后，利用切比雪夫方法對多目標進行標量化；接著，利用基于分解的多目標進化算法求解無約束的多目標優化問題；最后，根據系統吞吐量約束以及功率約束，得到一段帕累托最優邊界，邊界上的功率配置均可認為是系統最優功率配置，可以根據具體場景對系統吞吐量和發射功率的要求，選擇邊界上合適的點。本發明解決了在干擾嚴重的情況下(多變量耦合)功率分配求解困難的問題，在提高系統吞吐量的同時有效地降低了系統功率消耗。
【專利說明】
-種大規模天線系統低復雜度功率分配方法
技術領域
[0001] 本發明設及一種大規模天線系統基于多目標優化的低復雜度功率分配方法，屬于 移動通信系統中的資源分配技術。
【背景技術】
[0002] 大規模天線技術W其高譜效、高能效的特點而成為未來移動通信中的關鍵技術。 但是隨著天線數量的增加，整體的天線固定功率消耗也會急劇增加，功率模型需要重建，同 時，常規的波束賦型操作如迫零、最小均方誤差等技術的計算復雜度會急劇上升，但幸運的 是，大規模天線系統的特點使得最為簡單的最大混合比波束賦型即可實現優良的性能，然 而，最大混合比波束賦型卻無法抑制用戶間的干擾，進而造成能效表達式中的多變量禪合 問題。
[0003] 盡管大規模天線系統具有著一系列優點，但是在未來5G移動通信系統中，會存在 對多種指標的需求，如更高的吞吐量、更低的功率消耗、更合理的公平性W及更高的能效 等。
【發明內容】
[0004] 發明目的：為了克服現有技術中存在的不足，本發明提供一種大規模天線系統基 于多目標優化的低復雜度功率分配方法，在保證系統吞吐量和系統功耗的前提下，實現對 基站端合理的功率配置。
[0005] 技術方案:為實現上述目的，本發明采用的技術方案為：
[0006] -種大規模天線系統低復雜度功率分配方法，采用基于分解的多目標進化算法求 解最優的功率配置;具體包括如下步驟：
[0007] (1)將大規模天線系統中的多目標優化問題表述為：
[000引
[0009]
[0010]
[ocm]其中：i = l，2,…，K，K為用戶數量，P康示用戶i的發射功率，r康示用戶i的傳輸速 率;M為基站天線數，Pc表示每根天線的環路固定功率消耗;化表示系統最低吞吐量，Pm表示 系統最大功率消耗，Cl和C2分別表示吞吐量約束和功率消耗約束；
[0012] 采用切比雪夫方法對上述優化問題進行轉化：
[0013]
[0014]
[0015] C2：P(p) <Pm
[0016] 切比雪夫式為：
[0017] g(p|Aj，zi,z2)=max{Aj,i|-R(p)-zi| ,Aj,2|P(p)-Z2| }
[001引其中：j = l ,2,…，N，N為子問題個數;Aj= [Aj,i，Aj,2]，Aj,謝Aj,2為非負的權重系 數，P= [Pi，化，…，PK]為發射功率向量；
弓系統吞吐量，
％系 統功率消耗，zi=min{-R(p)}為關于吞吐量的切比雪夫參考值，Z2=min{-P(p)}為關于功率 消耗的切比雪夫參考值；
[0019](2)設置子問題個數N和每個子問題的鄰居數T，并生成N組加權向量Al，A2，…，^; 設置迭代次數C;
[0020] (3)計算與第j組加權向量Aj的歐氏距離最小的T組加權向量，第j組加權向量Aj和 第k組加權向量Ak的歐式距離為I I Aj-Ak M 2，且j辛k;將得到的T組加權向量的下標保存在向 量B(j)中；
[0021 ] (4)在可行域范圍內，隨機生成N組發射功率向量Pi，P2，…，PN，計算發射功率向量 P擁應的系統吞吐量R(Pj)和系統功率消耗P(Pj),并記錄在向量。〇'）= {-3伯川伯）}中；
[0022] (5)初始化切比雪夫參考值Zi和Z2,設置迭代標識Ind=I;
[0023] (6)從向量B(j)中隨機選取兩個元素 m，n，利用遺傳算子根據Pm和Pn計算新的發射 功率向量Pre,并對Pre進行多項式變異操作處理，計算發射功率向量Pre對應的系統吞吐量R (Pre)和系統功率消耗P(Pre);
[0024] (7)若Zl>-R(Pre)，則令Zl = -R(Pre);若Z2>P(Pre)，則令Z2 = P(Pre);
[0025] (8)針對B( j)中的元素1，若g(pi I Al,Zl,Z2)>g(pire|M，Zl,Z2)，則令 Pl = Flre,并更新 F(j) = {-R(Pre)，P(Pre)};
[0026] (9)迭代標識Ind = Ind+l;若Ind>C，則執行步驟(10);否則，返回步驟(6);
[0027] (10)從得到的所有F(j)中，篩選出滿足吞吐量約束和功率約束的功率配置形成最 優功率配置集合，從最優功率配置集合中選取一種功率配置作為最終功率分配方案。
[002引所述步驟(6)，具體包括如下步驟：
[0029] (61)記
Pn=[Pn'l,Pn'2,... ,Pn'K]，Pre=[Pre'l,Pre'2,..., Pre,K]，Pre,i = O.5[(l-0i)Pm,i+(l-0i)Pn,i]，0浪照如下方式生成：
[0030] 隨機生成一個0到1之間的數Si:若Si < 0.5,則
若Si >0.5,則
其中，y為種群數量(多目標優化中優化目標的數量），取y = 2;
[0031] (62)對Pre進行多項式變異操作處理:僅隨機選擇Pre中的一個元素 Pre,1進行變異操 作，具體操作為:Pre,i = Pre,i+〇i(Pu-pi)，其中Pu為用戶的發射功率上界，Pl為用戶的發射功 率下界，Oi為擾動項，Oi按照如下方式生成：
[0032] 隨機生成一個0到1之間的數Si:若Si < 0.5,則
若si>0.5,則
其中，y為用戶數量，取y=K。
[0033] 有益效果:本發明提供的大規模天線系統低復雜度功率分配方法，首先利用切比 雪夫方法將原始多目標優化問題變量化，然后通過多目標進化算法實現了高效率的捜索過 程，極大簡化了資源分配的求解過程;另外，本發明為一類多變量禪合的求解問題提供了一 種思路，在目標函數的導數方法求解困難時，運種能效優化方案巧妙地回避了計算方面的 不可行性。
【附圖說明】
[0034] 圖1為大規模天線場景示意圖；
[0035] 圖2為大規模天線系統功率分配方法算法流程示意圖。
【具體實施方式】
[0036] 下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。
[0037] -種大規模天線系統低復雜度功率分配方法，采用基于分解的多目標進化算法求 解最優的功率配置;具體包括如下步驟：
[0038] (1)將大規模天線系統中的多目標優化問題表述為：
[0039]
[0040]
[0041]
[0042] 其中：i = l，2,…，K，K為用戶數量，Pi表示用戶i的發射功率，ri表示用戶i的傳輸速 率;M為基站天線數，Pc表示每根天線的環路固定功率消耗;化表示系統最低吞吐量，Pm表示 系統最大功率消耗，Cl和C2分別表示吞吐量約束和功率消耗約束；
[0043] 采用切比雪夫方法對上述優化問題進行轉化：
[0044]
[0045] C1:R(p)>I?l
[0046] C2：P(p) <Pm
[0047] 切比雪夫式為：
[004引 g(p|Aj,zi，Z2)=max{Aj'i|-R(p)-zi|，Aj'2|P(p)-Z2|}
[0049] 其中：j = l，2,…，N，N為子問題個數;Aj= [Aj,i，Aj,2]，Aj,謝Aj,2為非負的權重系 數，P=[P1，P2，'。，PK]為發射功率向量
％系 統功率消耗，zi=min{-R(p)}為關于吞吐量的切比雪夫參考值，Z2=min{-P(p)}為關于功率 消耗的切比雪夫參考值；
[0050] (2)設置子問題個數N和每個子問題的鄰居數T，并生成N組加權向量Al，A2，…，入N; 設置迭代次數C;
[0051] (3)計算與第j組加權向量Aj的歐氏距離最小的T組加權向量，第j組加權向量Aj和 第k組加權向量Ak的歐式距離為I I VAkI k且托k;將得到的T組加權向量的下標保存在向 量B(j)中；
[0052] (4)在可行域范圍內，隨機生成N組發射功率向量pi，p2,…，PN，計算發射功率向量 P擁應的系統吞吐量R(Pj)和系統功率消耗P(Pj),并記錄在向量F(j) = I-R(Pj)，P(pj)}中；
[0053] (5)初始化切比雪夫參考值Zi和Z2,設置迭代標識Ind=I;
[0054] (6)從向量B(j)中隨機選取兩個元素 m，n，利用遺傳算子根據Pm和Pn計算新的發射 功率向量Pre,并對Pre進行多項式變異操作處理，計算發射功率向量Pre對應的系統吞吐量R (Pre)和系統功率消耗P(Pre);具體包括如下步驟：
[005引 (61)記
',Pn= [Pn'l，Pn,2，... ,Pn,K] ,Pre= [Pre'l，Pre,2 ,...， ]3re, K] , f)re, i 二 0.5 [ ( 1-Pi )Pm, i+( 1-Pi )Pn, i ] , Pi技照如下方式生成：
[0化6] 隨機生成一個0到I之間的數Si:若Si < 0.5,則
若Si >0.5,則
串中，y為種群數量(多目標優化中優化目標的數量），取y = 2;
[0057] (62)對Pre進行多項式變異操作處理:僅隨機選擇Pre中的一個元素 Pre,1進行變異操 作，具體操作為:Pre,i = Pre,i+〇i(Pu-pi)，其中Pu為用戶的發射功率上界，Pl為用戶的發射功 率下界，Oi為擾動項，Oi按照如下方式生成：
[0化引隨機生成一個0到1之間的數Si:若Si < 0.5,則
；若31>0.5,則
其中，y為用戶數量，取y=K;
[0059] (7)若Zl>-R(Pre)，則令Zl = -R(Pre);若Z2>P(Pre)，則令Z2 = P(Pre);
[0060] (8)針對B( j)中的元素1，若g(pi I Al,Zl,Z2)>g(pire|M，Zl,Z2)，則令 Pl = Flre,并更新 F(j) = {-R(Pre)，P(Pre)};
[0061 ] (9)迭代標識Ind = Ind+l;若Ind>C，則執行步驟(10);否則，返回步驟(6);
[0062] (10)從得到的所有F(j)中，篩選出滿足吞吐量約束和功率約束的功率配置形成最 優功率配置集合，從最優功率配置集合中任意選取一種功率配置作為最終功率分配方案， 或者集合其他通信性能確定出唯一一種功率配置作為最終功率分配方案。
[0063] W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W做出若干改進和潤飾，運些改進和潤飾也應 視為本發明的保護范圍。
【主權項】
1. 一種大規模天線系統低復雜度功率分配方法，其特征在于:采用基于分解的多目標 進化算法求解最優的功率配置;具體包括如下步驟： (1) 將大規模天線系統中的多目標優化問題表述為：其中：i = l，2,…，K，K為用戶數量，Pi表示用戶i的發射功率，ri表示用戶i的傳輸速率;Μ 為基站天線數，Ρ。表示每根天線的環路固定功率消耗;Rl表示系統最低吞吐量，Pm表示系統 最大功率消耗，C1和C2分別表示吞吐量約束和功率消耗約束； 采用切比雪夫方法對上述優化問題進行轉化： Cl：R(p) >RlC2：P(p) <Pm 切比雪夫式為： g(p|Aj,zi,Z2)=max{Aj;i|-R(p)-zi| ,Aj)21 P(p)-Z21 } 其中：j = l,2,…,N，N為子問題個數;λ」=[λ」,：，λ」,2]，λ」,：^Ρλ」,2為非負的權重系數，p = [pi，P2，…，ρκ]為發射功率向量，為系統吞吐量為系統功率 消耗，Z1=min{-R(p)}為關于吞吐量的切比雪夫參考值，z2=min{-P(p)}為關于功率消耗的 切比雪夫參考值； (2) 設置子問題個數N和每個子問題的鄰居數T，并生成N組加權向量λ:，、，…，λΝ;設置 迭代次數C; (3) 計算與第j組加權向量λ」的歐氏距離最小的Τ組加權向量，第j組加權向量λ」和第k組 加權向量Xk的歐式距離為| | Aj-Ak I 12，且j矣k;將得到的T組加權向量的下標保存在向量B (j)中； (4) 在可行域范圍內，隨機生成N組發射功率向量P1，P2,…，PN，計算發射功率向量Pj對應 的系統吞吐量R(pj)和系統功率消耗P(pj)，并記錄在向量F(j) = {-R(Pj)，P(Pj)}中； (5) 初始化切比雪夫參考值21和22,設置迭代標識Ind=l; (6) 從向量B(j)中隨機選取兩個元素 m，n，利用遺傳算子根據PjPPn計算新的發射功率 向量Pre，并對Pre進行多項式變異操作處理，計算發射功率向量Pre對應的系統吞吐量R(Pre) 和系統功率消耗P(Pre); (7) 若Zl>-R(pre)，則令Zl = -R(pre);若Z2>P(pre)，則令Z2 = P(pre); (8) 針對8(」）中的元素1，若8(口1|人1，21，22)>8(口1^|人1，21，22)，則令口1 = 口1^，并更新卩（」） =R(Pre) ,P(pre) }； (9) 迭代標識Ind = Ind+l;若Ind>C，則執行步驟（10);否則，返回步驟(6); (10)從得到的所有F(j)中，篩選出滿足吞吐量約束和功率約束的功率配置形成最優功 率配置集合，從最優功率配置集合中選取一種功率配置作為最終功率分配方案。2.根據權利要求1所述的大規模天線系統低復雜度功率分配方法，其特征在于:所述步 驟(6)，具體包括如下步驟： (6 1 ) T己 Pm - [Pm，1，Pm，2，…，Pm，K]，Pn - [Pn，l，Pn，2，···，Pn，K]，Pre - [Pre，l,Pre，2,···，Pre，K]， pre,i = O.5[(l-0i)Pm,i+(l-0i)Pn,i]，β?按照如下方式生成： 隨機生成一個〇到1之間的數s i :若s i < 0 . 5，；若s i > 0 . 5，則其中，μ為種群數量，取μ=2;(62)對pre進行多項式變異操作處理:僅隨機選擇pre中的一個元素 pre, i進行變異操作， 具體操作為:pre,i = pre,i+〇i(pU-pi)，其中pu為用戶的發射功率上界，P1為用戶的發射功率下 界，〇i為擾動項，〇i按照如下方式生成： 隨機生成一個0到1之間的數Si:若Si < 0.5 ;Ssi>0.5,則;其中，μ為用戶數量，取μ=κ。
【文檔編號】H04W72/04GK105828441SQ201610257299
【公開日】2016年8月3日
【申請日】2016年4月22日
【發明人】蔣雁翔, 張家典, 鄭福春, 高西奇, 尤肖虎
【申請人】東南大學