本發(fā)明屬于大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)中資源分配領域，涉及分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法。

背景技術：

在分布式天線系統(tǒng)(DAS，Distributed Antenna System)中，遠端接入單元(RAUs)隨機設置在一定的范圍內(nèi)，并通過光纖與基帶處理單元連接，因此DAS系統(tǒng)中，用戶接入到基站的距離、基站的發(fā)射功率以及用戶受到的干擾會很大程度降低，系統(tǒng)性能也大幅度提高。DAS的研究熱度不斷提升。由于DAS中基站天線距離用戶的距離不等，其中大部分天線在距離用戶較遠處，要想和用戶正常通信，必須提高基站天線的發(fā)射功率，由此消耗了大量的能量，系統(tǒng)的能量效率因此降低。

近年來，DAS中的能量效率由于系統(tǒng)持續(xù)增長的能量消耗以及環(huán)境問題而越來越受學術界和工業(yè)界的關注，成為下一代通信系統(tǒng)的主流。針對大規(guī)模分布式天線系統(tǒng)能量效率這一問題，相關研究人員已經(jīng)提出多種解決方案提升系統(tǒng)能量效率的算法。其中大量的研究工作是通過降低系統(tǒng)的頻譜效率換取系統(tǒng)的能量效率的提升。已有少量的研究者通過特定的算法讓用戶只選擇小部分距離較近的信道條件比較理想的基站天線為其服務。本文在相關研究者已有的工作基礎上進一步改進天線選擇算法，并通過功率控制，更好得提高系統(tǒng)的能量效率，改善系統(tǒng)的性能。

技術實現(xiàn)要素：

發(fā)明目的：針對現(xiàn)有技術的不足，本發(fā)明針對分布式天線系統(tǒng)中的能效問題提出了分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法，該方法能夠提升系統(tǒng)的能量效率。

技術方案：為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明公開的分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法，包括以下步驟：

步驟1、計算小區(qū)內(nèi)每個用戶選擇基站天線的初始數(shù)目V^*，其中L為基站天線數(shù)目，K為小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)目，為向上取整符號；

步驟2、為小區(qū)內(nèi)每個用戶k_n選擇初始的V*根天線，構成服務天線集合B_n，用戶k_n構成第n個用戶集合和B_n構成第n個虛擬小區(qū)V_n，n＝1,2,...,N，N為虛擬小區(qū)(v-cell)數(shù)目，初始值為K；

計算用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子

在每個虛擬小區(qū)中，獲取下行鏈路基站天線給用戶k_n的發(fā)射功率

步驟3、獲取任意兩個虛擬小區(qū)V_i和V_j之間的距離D(V_i,V_j)，其中1≤i,j≤N,i≠j，d(k_i,V_j)表示V_i中的用戶k_i到V_j的距離，min{·}表示求所有可能取值的最小值；

步驟4、將不同虛擬小區(qū)進行合并，使得系統(tǒng)的能量效率不斷提升。

具體地，用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子計算如下式：

其中，路徑損耗因子為α，用戶k_n的坐標為第l個基站天線的坐標為r_l^B，l＝1,2,…,L，||·||表示求向量的歐幾里得范數(shù)。

具體地，下行鏈路基站天線給用戶k_n的發(fā)射功率計算如下式：

其中表示用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子，B_n表示用戶k_n所屬虛擬小區(qū)V_n的服務天線集合，p為常數(shù)，表示系統(tǒng)為所有用戶統(tǒng)一設定的接收功率值。

具體地，虛擬小區(qū)V_i中的用戶k_i到虛擬小區(qū)V_j的距離d(k_i,V_j)用用戶k_i到V_j的信泄露噪比度量，計算如下式：

其中N₀表示高斯白噪聲的功率，表示用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子，B_j表示虛擬小區(qū)V_j的服務天線集合。

具體地，步驟(2)中為小區(qū)內(nèi)每個用戶k_n選擇初始的V^*根天線，構成服務天線集合B_n的具體步驟包括：

(21)初始化每個用戶的服務天線集合為空集：其中表示空集；

(22)依次遍歷每個用戶k_n，n＝1,2,…,K，每次選擇一個未被分配且到用戶k_n的大尺度衰落因子最大的基站天線l^*，將基站天線l^*并入集合Β_n中，B_n←B_n∪{l^*}，并標記基站天線l^*為已分配天線；

(23)重復執(zhí)行步驟(22)V^*次，最終為每個用戶的服務天線集合Β_n都包含V^*根天線，且滿足1≤n,m≤K,且n≠m。

具體地，步驟(4)中合并不同虛擬小區(qū)包括如下步驟：

(41)N個虛擬小區(qū)構成集合Τ＝{V₁,V₂,…,V_N}，獲取系統(tǒng)的初始能量效率η；

(42)在集合Τ中找到距離最近的兩個虛擬小區(qū)和計算將這兩個虛擬小區(qū)合并后系統(tǒng)的能量效率η'；

(43)比較η'和η的大小，如果η'>η，則將和合并，執(zhí)行操作431-434：

(431)從集合Τ中除去和

(432)將和進行合并：

(433)合并后的虛擬小區(qū)添加至集合Τ中：

(434)更新系統(tǒng)當前能量效率：η←η'；更新虛擬小區(qū)數(shù)目：N←N-1，重新計算集合Τ中任意兩個虛擬小區(qū)之間的距離D；

如果η'<η，則將設置為無窮大；

(44)重復執(zhí)行步驟(42)、(43)，直到集合Τ中任意兩個虛擬小區(qū)之間的距離全部為無窮大，結束該合并算法。

具體地，獲取系統(tǒng)的能量效率包括如下步驟：

(51)虛擬小區(qū)V_i中的用戶k_i到V_i的服務天線集合B_i中的每個天線的大尺度衰落信息記為向量瞬時信道信息記為向量其中C表示復數(shù)域，|V_i|表示虛擬小區(qū)V_i包含的服務天線數(shù)目，獲取用戶k_i到B_i信道信息向量表示兩個向量對應元素相乘；

(52)用表示虛擬小區(qū)V_i中的基站天線給用戶k_i發(fā)送信號時的預編碼向量，則用戶k_i的下行信泄露噪比表示為：

表示求向量a的共軛轉(zhuǎn)置，表示虛擬小區(qū)V_i中的用戶集合，有以下約束條件：

s.t.表示滿足某約束條件，得到用戶k_i的預編碼向量：

其中I_M表示M階單位矩陣，ξ_m(·)表示求矩陣的最大特征值對應的特征向量；

獲得用戶k_i的可達速率

E{·}表示求統(tǒng)計期望，其中表示用戶k_i接收的干擾功率，表示為：

表示虛擬小區(qū)V_i'中的用戶集合；

(53)基站側消耗的功率為

p_total＝p_t+p_c+p_BH

其中p_t為基站發(fā)射總功率p_c為基站電路消耗的功率，為常數(shù)，與被服務的用戶數(shù)目無關，p_BH為與系統(tǒng)用戶總速率成正相關的回程(Backhaul)功率消耗，表示為：

其中ρ為常數(shù)比例因子；|B_i|表示天線集合B_i包含的天線數(shù)目；

則系統(tǒng)的能量效率η表示為：

有益效果：與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明公開的分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法，首先根據(jù)基站天線的數(shù)目和用戶數(shù)目以及用戶到每根基站天線的大尺度衰落信息選擇最初的幾根基站天線，每個用戶與其服務天線構成一個v-cell，然后獲取每個小區(qū)之間的距離，通過迭代算法合并不同的v-cell，使得系統(tǒng)頻譜效率提升的同時提高系統(tǒng)的能量效率。本發(fā)明公開的方法在滿足分布式天線系統(tǒng)可達速率的條件下，減少為用戶服務的基站活躍天線數(shù)目，從而減少基站的功率消耗，并控制每個用戶的有效接收功率，在滿足系統(tǒng)頻譜效率的前提下能有效提升系統(tǒng)的能量效率。

附圖說明

圖1是本發(fā)明中分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法的框架示意圖；

圖2是本發(fā)明中用戶數(shù)目K＝16和32時，基于天線選擇的高能效算法與其它兩種方案在基站天線數(shù)目變化是系統(tǒng)的能量效率比較圖；

圖3是本發(fā)明中基站天線數(shù)目與用戶數(shù)目比值L/K為4時，基于天線選擇的高能效算法與其它兩種方案在用戶選擇服務天線平均數(shù)目變化時系統(tǒng)的能量效率比較圖。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式，進一步闡明本發(fā)明。

如圖1所示，分布式系統(tǒng)中一種基于天線選擇的高能效傳輸方法，首先依據(jù)基站天線和用戶的數(shù)目信息，確定用戶需要選擇天線數(shù)目的初始值V*，然后根據(jù)用戶和基站天線的位置得到每個用戶到達所有基站天線的大尺度衰落因子等信息，并根據(jù)本發(fā)明的天線選擇算法為每個用戶選擇最初的V*根基站天線，其中每個用戶選擇的天線不重復，并將每個用戶和對其服務的基站天線看成一個虛擬小區(qū)v-cell；接著獲取不同v-cell之間各個用戶的SLNR，并基于本發(fā)明的算法對不同的v-cell進行合并,使得合并之后系統(tǒng)的能量效率不斷提高。本發(fā)明在滿足分布式天線系統(tǒng)一定可達速率條件下，減少為用戶服務的基站天線數(shù)目，減小用戶接收的干擾信號，通過天線選擇算法選擇特定的小部分基站天線服務用戶，并控制每個用戶的有效接收功率，在滿足系統(tǒng)頻譜效率的前提下能有效地提升系統(tǒng)的能量效率。具體步驟如下：

步驟1、本分布式天線系統(tǒng)中基站側具備一個基帶處理單元和L個遠端接入終端，每個接入終端配置一根天線，即基站天線數(shù)為L；小區(qū)內(nèi)用戶數(shù)為K，計算小區(qū)內(nèi)每個用戶選擇基站天線的初始數(shù)目V*，為向上取整符號；

步驟2、根據(jù)路徑損耗因子α，用戶k_n的坐標第l個基站天線的坐標r_l^B，計算用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子計算如下式：

其中||·||表示求向量的歐幾里得范數(shù)。

為小區(qū)內(nèi)每個用戶k_n選擇初始的V*根天線，構成服務天線集合B_n，具體步驟包括：

(21)初始化每個用戶的服務天線集合為空集：其中表示空集；

(22)依次遍歷每個用戶k_n，n＝1,2,…,K，每次選擇一個未被分配且到用戶k_n的大尺度衰落因子最大的基站天線l^*，將基站天線l^*并入集合B_n中，B_n←B_n∪{l^*}，并標記基站天線l^*為已分配天線；

(23)重復執(zhí)行步驟(22)V^*次，最終為每個用戶的服務天線集合B_n都包含V^*根天線，且滿足1≤n,m≤K,且n≠m。

用戶k_n構成第n個用戶集合和Β_n構成第n個虛擬小區(qū)V_n，n＝1,2,...,N，N為虛擬小區(qū)(v-cell)數(shù)目，初始值為K；

在每個虛擬小區(qū)中，獲取下行鏈路基站天線給用戶k_n的發(fā)射功率p_kn；計算如下式：

其中表示用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子，B_n表示用戶k_n所屬虛擬小區(qū)V_n的服務天線集合，p為常數(shù)，表示系統(tǒng)為所有用戶統(tǒng)一設定的接收功率值。

步驟3、獲取任意兩個虛擬小區(qū)V_i和V_j之間的距離D(V_i,V_j)，其中1≤i,j≤N,i≠j，d(k_i,V_j)表示V_i中的用戶k_i到V_j的距離，min{·}表示求所有可能取值的最小值；

虛擬小區(qū)V_i中的用戶k_i到虛擬小區(qū)V_j的距離d(k_i,V_j)用用戶k_i到V_j的信泄露噪比度量，計算如下式：

其中N₀表示高斯白噪聲的功率，表示用戶k_n到第l個基站天線的大尺度衰落因子，B_j表示虛擬小區(qū)V_j的服務天線集合。

步驟4、將不同虛擬小區(qū)進行合并，使得系統(tǒng)的能量效率不斷提升，包括如下步驟：

(41)N個虛擬小區(qū)構成集合Τ＝{V₁,V₂,…,V_N}，獲取系統(tǒng)的初始能量效率η；

(42)在集合Τ中找到距離最近的兩個虛擬小區(qū)和計算將這兩個虛擬小區(qū)合并后系統(tǒng)的能量效率η'；

(43)比較η'和η的大小，如果η'>η，則將和合并，執(zhí)行操作431-434：

(431)從集合Τ中除去和其中A\{a}表示從集合A中除去元素a；

(432)將和進行合并：

(433)合并后的虛擬小區(qū)添加至集合Τ中：

(434)更新系統(tǒng)當前能量效率：η←η'；更新虛擬小區(qū)數(shù)目：N←N-1，重新計算集合Τ中任意兩個虛擬小區(qū)之間的距離D；

如果η'<η，則將設置為無窮大；

(44)重復執(zhí)行步驟(42)、(43)，直到集合Τ中任意兩個虛擬小區(qū)之間的距離全部為無窮大，結束該合并算法。

上述過程中獲取系統(tǒng)的能量效率包括如下步驟：

(51)虛擬小區(qū)V_i中的用戶k_i到V_i的服務天線集合B_i中的每個天線的大尺度衰落信息記為向量瞬時信道信息記為向量其中C表示復數(shù)域，|V_i|表示虛擬小區(qū)V_i包含的服務天線數(shù)目，獲取用戶k_i到B_i信道信息向量表示兩個向量對應元素相乘；

(52)用表示虛擬小區(qū)V_i中的基站天線給用戶k_i發(fā)送信號時的預編碼向量，則用戶k_i的下行信泄露噪比表示為：

表示求向量a的共軛轉(zhuǎn)置，表示虛擬小區(qū)V_i中的用戶集合，有以下約束條件：

s.t.表示滿足某約束條件，得到用戶k_i的預編碼向量：

其中I_M表示M階單位矩陣，ξ_m(·)表示求矩陣的最大特征值對應的特征向量；

獲得用戶k_i的可達速率

E{·}表示求統(tǒng)計期望，其中表示用戶k_i接收的干擾功率，表示為：

表示虛擬小區(qū)V_i'中的用戶集合；

(53)基站側消耗的功率為

p_total＝p_t+p_c+p_BH

其中p_t為基站發(fā)射總功率p_c為基站電路消耗的功率，為常數(shù)，與被服務的用戶數(shù)目無關，p_BH為與系統(tǒng)用戶總速率成正相關的回程(Backhaul)功率消耗，表示為：

其中ρ為常數(shù)比例因子；|B_i|表示天線集合B_i包含的天線數(shù)目；

則系統(tǒng)的能量效率η表示為：

由圖2中可以看出，本發(fā)明公開的基于天線選擇的高能效傳輸方法的能量效率遠優(yōu)于基于最初選擇天線時考慮不同的用戶會選擇相同的基站天線為其服務的方案，也遠遠優(yōu)于天線選擇算法相同但是采用匹配濾波的預編碼傳輸方案。且基站天線數(shù)目與用戶數(shù)目比值在比較小的情況下優(yōu)勢更明顯。

從圖3中可以看出，本發(fā)明公開的基于天線選擇的高能效傳輸方法在用戶平均服務天線相同時系統(tǒng)的能量效率遠優(yōu)于基于最初選擇天線時考慮不同的用戶會選擇相同的基站天線為其服務的方案，也遠遠優(yōu)于天線選擇算法相同但是采用匹配濾波的預編碼傳輸方案。且在一定的平均服務天線數(shù)目范圍內(nèi)，隨著平均服務天線數(shù)目變大能效增大，并達到一個最大值。

因此，本發(fā)明公開的方法能夠采用較少分布式天線系統(tǒng)中的活動天線，并且不同的v-cell的基站天線集合沒有重疊，減小用戶接收的干擾信號，通過天線選擇算法選擇特定的小部分基站天線服務用戶，并控制每個用戶的有效接收功率，在滿足系統(tǒng)頻譜效率情況下也能有效提升系統(tǒng)的能量效率。