基于滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議的三小區(qū)多用戶(hù)聯(lián)合功率分配方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議的三小區(qū)多用戶(hù) 聯(lián)合功率分配方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多小區(qū)系統(tǒng)中存在的干擾問(wèn)題一直以來(lái)是工業(yè)界與學(xué)術(shù)界關(guān)注的焦點(diǎn)，特別是對(duì) 于小區(qū)邊緣的用戶(hù)而言，受到來(lái)自本小區(qū)的干擾和相鄰小區(qū)間的干擾程度尤為嚴(yán)重，這也 成為制約小區(qū)邊緣用戶(hù)性能的瓶頸。針對(duì)這一問(wèn)題，近些年來(lái)提出了諸如干擾管理、干擾抑 制、干擾對(duì)齊和干擾消除等多種基于不同原理的方法來(lái)對(duì)抗多小區(qū)系統(tǒng)中的干擾現(xiàn)象。傳 統(tǒng)解決小區(qū)邊緣用戶(hù)干擾問(wèn)題的方法主要包括兩類(lèi)：第一類(lèi)主要利用空域、時(shí)域或頻域傳 輸資源的正交特性來(lái)聯(lián)合設(shè)計(jì)相鄰小區(qū)的多天線(xiàn)波束向量；第二類(lèi)主要是在正交頻分復(fù)用 (OFDM，Orthogonal Frequency Division Multiplexing)系統(tǒng)中通過(guò)分配正交子載波。然 而，這些方法都是通過(guò)限制相鄰小區(qū)間用戶(hù)的傳輸能力來(lái)減弱干擾影響的，這就不可避免 的損失了系統(tǒng)的自由度。
[0003] 為了盡量避免在多小區(qū)系統(tǒng)干擾抑制過(guò)程中對(duì)系統(tǒng)自由度性能的影響，Jafar等 人于2013年提出了一種基于索引編碼（Index Coding)的拓?fù)涓蓴_管理傳輸方案。該傳輸 協(xié)議在有效抑制干擾的同時(shí)可以保證系統(tǒng)達(dá)到滿(mǎn)自由度發(fā)射，特別是對(duì)于小區(qū)邊緣用戶(hù)有 明顯的性能提升。根據(jù)該拓?fù)涓蓴_管理原理，在三小區(qū)多用戶(hù)系統(tǒng)中很容易實(shí)施滿(mǎn)自由度 傳輸方案。在滿(mǎn)自由度傳輸方案中，來(lái)自于相鄰小區(qū)的干擾和本小區(qū)其他用戶(hù)的干擾被對(duì) 齊到一個(gè)單獨(dú)的向量，而不受干擾的有用信號(hào)被放在其他向量中進(jìn)行發(fā)射。通過(guò)設(shè)計(jì)正交 向量達(dá)到干擾消除的目的，從而使系統(tǒng)達(dá)到滿(mǎn)自由度發(fā)射的要求。
[0004] 值得注意的是，在基于滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議的多小區(qū)多用戶(hù)通信系統(tǒng)中，自由度性 能得到廣泛認(rèn)可，而對(duì)于該系統(tǒng)的能效性能卻仍未有過(guò)研究，特別是在未來(lái)綠色通信的主 流發(fā)展趨勢(shì)下，能效指標(biāo)受到越來(lái)越多的關(guān)注。眾所周知，多小區(qū)系統(tǒng)的功率分配方案不 單影響著系統(tǒng)的頻譜效率性能，還直接決定了系統(tǒng)的總能效性能。因此，對(duì)于滿(mǎn)自由度傳輸 的多小區(qū)多用戶(hù)系統(tǒng)而言，基于能效最大化的多小區(qū)聯(lián)合功率分配問(wèn)題具有十分重要的意 義。但是，由于聯(lián)合功率分配問(wèn)題形式過(guò)于復(fù)雜，該優(yōu)化問(wèn)題的求解非常困難，更沒(méi)有得到 過(guò)最優(yōu)功率分配方案的閉合形式解。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明為使三小區(qū)多用戶(hù)通信系統(tǒng)獲得較高的能效性能而提出一種基于滿(mǎn)自由 度傳輸協(xié)議的三小區(qū)多用戶(hù)聯(lián)合功率分配設(shè)計(jì)方法，并求得了功率分配變量的閉合形式 解。
[0006] 本發(fā)明公開(kāi)了一種基于滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議的三小區(qū)多用戶(hù)聯(lián)合功率分配方法。該 通信系統(tǒng)由三個(gè)小區(qū)所組成，每個(gè)小區(qū)包含一個(gè)單天線(xiàn)基站和兩個(gè)處于小區(qū)邊緣的單天線(xiàn) 用戶(hù)終端，且相鄰小區(qū)的邊緣用戶(hù)位置較近。該通信系統(tǒng)依照滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議，在三個(gè)時(shí) 隙內(nèi)先后交替完成三個(gè)小區(qū)與各自用戶(hù)終端的信號(hào)傳輸過(guò)程。該功率分配方法是以最大化 系統(tǒng)能效為目標(biāo)，以指定的系統(tǒng)最小頻譜效率為約束條件，建立了以各基站到各自用戶(hù)的 發(fā)射功率為變量的聯(lián)合優(yōu)化模型。由于原始優(yōu)化問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)具有擬凸性，利用于拉格 朗日乘子法將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，并借助于Lambert W函數(shù)，得到各基站對(duì)各自用戶(hù)的最優(yōu)發(fā)射功 率閉合形式解。
[0007] 本發(fā)明的一種基于滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議的三小區(qū)多用戶(hù)聯(lián)合功率分配方法，包括以 下步驟：
[0008] 1).根據(jù)滿(mǎn)自由度傳輸協(xié)議，三個(gè)小區(qū)，即小區(qū)A，小區(qū)B和小區(qū)C，在三個(gè)時(shí)隙內(nèi)交 替?zhèn)鬏攲?duì)各自用戶(hù)的數(shù)據(jù)信號(hào)，利用基于索引編碼的拓?fù)涓蓴_管理原理，可以獲得系統(tǒng)的 最大自由度。此處假設(shè)三個(gè)時(shí)隙內(nèi)，基站到用戶(hù)間的信道系數(shù)保持不變，且基站之間共享信 道狀態(tài)信息，具體傳輸過(guò)程如下，
[0009] I. 1).第1時(shí)隙，A小區(qū)基站和C小區(qū)基站同時(shí)分別向各自小區(qū)的1號(hào)用戶(hù)發(fā)射信 號(hào)，即&1和c i，B小區(qū)基站不發(fā)射任何信號(hào)，如圖1中虛線(xiàn)所示的時(shí)隙內(nèi)容。則各用戶(hù)在第 1時(shí)隙內(nèi)接收到的信號(hào)分別表不如下，
[0010] 用戶(hù)al和用戶(hù)bl的接收信號(hào)為：Xl= g 1&1+ V i
[0011] 用戶(hù)a2和用戶(hù)c2的接收信號(hào)為：yi= g Pdg6Cdn1
[0012] 用戶(hù)b2和用戶(hù)cl的接收信號(hào)為：Zl=
[0013] 其中，V1,叫和μ i表示第1時(shí)隙內(nèi)用戶(hù)終端處的加性高斯白噪聲，且滿(mǎn)足相同分 布CN(0,g)，gl表示A小區(qū)基站到本小區(qū)1號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)，g 2表示A小區(qū)基站到本小 區(qū)2號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)，g5表示C小區(qū)基站到本小區(qū)1號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)，g 6表示C小區(qū) 基站到本小區(qū)2號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)。
[0014] 1. 2).第2時(shí)隙，A小區(qū)基站和B小區(qū)基站同時(shí)分別向各自小區(qū)的2號(hào)用戶(hù)發(fā)射信 號(hào)，即&2和b 2, C小區(qū)基站不發(fā)射任何信號(hào)，如圖1中實(shí)線(xiàn)所示的時(shí)隙內(nèi)容。則各用戶(hù)在第 2時(shí)隙內(nèi)接收到的信號(hào)分別表示如下，
[0015] 用戶(hù)al和用戶(hù)bl的接收信號(hào)為：x2= g ia2+g3b2+ V 2
[0016] 用戶(hù)a2和用戶(hù)c2的接收信號(hào)為：y2= g2a2+n2
[0017] 用戶(hù)b2和用戶(hù)cl的接收信號(hào)為：z2= g4b2+y2
[0018] 其中，^2，112和μ 2表示第2時(shí)隙內(nèi)用戶(hù)終端處的加性高斯白噪聲，且滿(mǎn)足相同分 布，g3表示B小區(qū)基站到本小區(qū)1號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)，g 4表示B小區(qū)基站到本小 區(qū)2號(hào)用戶(hù)的信道系數(shù)
[0019] 1.3).第3時(shí)隙，B小區(qū)基站向本小區(qū)1號(hào)用戶(hù)發(fā)射信號(hào)bp C小區(qū)基站向本小區(qū) 2號(hào)用戶(hù)發(fā)射信號(hào)c2, A小區(qū)基站不發(fā)射任何信號(hào)，如圖1中點(diǎn)畫(huà)線(xiàn)所示的時(shí)隙內(nèi)容。則各 用戶(hù)在第3時(shí)隙內(nèi)接收到的信號(hào)分別表示如下，
[0020] 用戶(hù)al和用戶(hù)bl的接收信號(hào)為：x3= g 3V V 3
[0021] 用戶(hù)a2和用戶(hù)c2的接收信號(hào)為：y3= g6c2+n3
[0022] 用戶(hù)b2和用戶(hù)cl的接收信號(hào)為：z3= g A+gA+ μ 3
[0023] 其中，^3，113和μ 3表示第3時(shí)隙內(nèi)用戶(hù)終端處的加性高斯白噪聲，且滿(mǎn)足相同分 布 CN(0,〇
[0024] 2). A小區(qū)基站對(duì)本小區(qū)1號(hào)和2號(hào)用戶(hù)的發(fā)射功率為？1和p 2,B小區(qū)基站對(duì)本小 區(qū)1號(hào)和2號(hào)用戶(hù)的發(fā)射功率為？3和p 4, C小區(qū)基站對(duì)本小區(qū)1號(hào)和2號(hào)用戶(hù)的發(fā)射功率 為？5和？6，則經(jīng)過(guò)步驟1)中的傳輸過(guò)程后，各個(gè)用戶(hù)終端的接收信噪比（SNR)分別為，
[0026] 3).基于步驟2)中的接收信噪比，建立以最大化系統(tǒng)能效為目標(biāo)，以指定的最小 系統(tǒng)頻譜效率為約束，以所有小區(qū)基站的發(fā)射功率為變量的功率分配優(yōu)化問(wèn)題，如下：
[0029] 其中，r表示多小區(qū)系統(tǒng)的總頻譜效率，
表示多小區(qū)系統(tǒng)的總功 率消耗。
[0030] 4).由于步驟3)中所述的功率分配優(yōu)化問(wèn)題其目標(biāo)函數(shù)過(guò)于復(fù)雜，不利于求解解 析形式最優(yōu)解。此處，將步驟3)中功率分配優(yōu)化問(wèn)題最大化問(wèn)題等價(jià)轉(zhuǎn)化為如下的最小化 問(wèn)題，
[0033] 5).利用拉格朗日乘子法，可以得到步驟4)中優(yōu)化問(wèn)題對(duì)應(yīng)的拉格朗日函數(shù)f，如 下：
[0035] 6).將Otpk(k= 1，2，···，6)取一階偏導(dǎo)，并令其為零，得到表達(dá)式，如下：
[0036]
[0037] 7).化簡(jiǎn)步驟6)中的等式，得到表達(dá)式，如下，
[0039] 8).由于步驟7)中等式右側(cè)是與k無(wú)關(guān)的，可以進(jìn)一步簡(jiǎn)化得到表達(dá)式，如下，
[0041] 9).從步驟8)中的等式可以得到任意功率變量pjP p郝關(guān)系式，如下，
[0043] 10).令9)中表達(dá)式右側(cè)k = 1，并代入7)中等式，化簡(jiǎn)后可以得到y(tǒng)i表達(dá)式，如 下：
[0045] 11).為便于求解步驟11)中關(guān)于變量P1的方程的閉合形式解，將步驟11)中等式 化簡(jiǎn)，可以得到如下表達(dá)式：
[0047] 12).對(duì)步驟11)中的等式采用以2為底的指數(shù)運(yùn)算，并化簡(jiǎn)得到如下表達(dá)式，
[0050] 13).利用Lambert W函數(shù)，可以直接求得P1的閉合表達(dá)式如下：
[0051]
[0052] 其中，W{_}表示Lambert W函數(shù)，其定義為：關(guān)于變量x的方程θ = Ueu，則關(guān)于 υ的解可以用Lambert W函數(shù)表示，即W矽!。
[0053] 14).將步驟13)中的表達(dá)式代入步驟9)中的等式，可以求得所有發(fā)射功率的閉合 形式最優(yōu)解，如下：
[0055] 其中：sf-加性高斯白噪聲功率，α -任意基站