一種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及無線通信領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用要求，如高質(zhì)量無線視頻流等的爆炸式增長，對第五代無 線通信系統(tǒng)（5G)提出了更高的要求。預(yù)計在2020年能夠?qū)崿F(xiàn)最小化功率消耗的同時大幅 度的提升頻譜效率（1000倍）。然而，盡管蜂窩式的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)能夠支持大面積覆蓋和用戶移 動性，但并不能實(shí)現(xiàn)在頻譜效率上突破。為了達(dá)到上述要求，一些新的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、先進(jìn)的信 號處理技術(shù)等逐漸被提出。隨著微蜂窩、微微蜂窩等微型基站的普遍使用，各基站到用戶間 的距離大幅度減小。基站的數(shù)據(jù)經(jīng)過較短距離的衰減被用戶接收，大大的降低了基站端的 功率。盡管基站間可以通過協(xié)作（協(xié)作多點(diǎn)傳輸，CoMP)來提高頻譜效率，但隨著基站數(shù)量 的增多，用戶受到相鄰基站的干擾也會越來越嚴(yán)重。發(fā)送端只有增加發(fā)送功率，才能滿足一 定的用戶QoS需求。在全頻率復(fù)用條件下，發(fā)送功率的增加，將給其他用戶帶來更嚴(yán)重的干 擾。
[0003] 在LTE-A中，協(xié)作多點(diǎn)傳輸（CoMP)包括聯(lián)合傳輸（JP)或者協(xié)作波束成形/協(xié)作調(diào) 度（CB/CS)。JP方式中，由于各個發(fā)送端通過共享用戶數(shù)據(jù)和信道狀態(tài)信息（CSI)，將干擾 信號轉(zhuǎn)化為了有用信號，相比于CB/CS方式，JP方式能夠獲得更高的頻譜效率，由于共享用 戶數(shù)據(jù)，需要更大的開銷。在規(guī)模較大的網(wǎng)絡(luò)中，采用JP方式是不現(xiàn)實(shí)的，因此，如何保證 用戶頻譜效率的同時，用較少的基站進(jìn)行協(xié)作，實(shí)現(xiàn)頻譜效率和協(xié)作開銷的折中？在火車 站、飛機(jī)場及一些大型購物場所，為了滿足巨大的業(yè)務(wù)量需求，需要布置很多的發(fā)射基站， 然而，在業(yè)務(wù)量?。ㄈ缫归g）時，大部分基站處于空閑狀態(tài)，造成巨大的功率開銷，因此，為 了降低功率消耗，根據(jù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)情況，只采用一部分基站為用戶服務(wù)，關(guān)閉其他基站， 大大降低了功率的消耗。同時，考慮到當(dāng)基站和用戶數(shù)較多時，采用JP方式會給回程鏈路 造成巨大的開銷。因此，為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能和開銷的折中，本發(fā)明在集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下，聯(lián)合網(wǎng) 絡(luò)優(yōu)化和波束成形設(shè)計。盡管如此，求解該問題的計算復(fù)雜度非常高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明是為了解決現(xiàn)有集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)下聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形系統(tǒng)的復(fù)雜 度高的問題，以及為了實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化和回程鏈路開銷的折中，從而提供一種基于預(yù)處理的 分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法。
[0005] -種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法，在集中式網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) 下，該架構(gòu)下有L個基站，每個基站配有N根天線，用Λ = {1，···，?}表示基站集，被調(diào)度的 用戶為K個單天線用戶，K為正整數(shù)；
[0006] 基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)：
[0007] 步驟一、根據(jù)基站總功率消耗模型和回程鏈路容量開銷，建立功率和回程容量的 折中模型：
[0008]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法，其特征是：在集中式網(wǎng) 絡(luò)架構(gòu)下，該架構(gòu)下有L個基站，每個基站配有N根天線，用A= {1，…，L}表示基站集，被 調(diào)度的用戶為K個單天線用戶，K為正整數(shù)； 基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法由以下步驟實(shí)現(xiàn)： 步驟一、根據(jù)基站總功率消耗模型和回程鏈路容量開銷，建立功率和回程容量的折中 模型：
其中，wlk為基站1到用戶k的波束向量，正實(shí)數(shù)A控制問題解的稀疏性，Rk為用戶的 速率，1^為功率放大器的效率，乃@為空閑時功率放大器的功率，aiG{〇，1}表征第1個 功率放大器的狀態(tài)，&eK,/eA表示基站的分配情況；執(zhí)行步驟二； 步驟二、將非凸的信干噪比（SINR)約束轉(zhuǎn)化為二階錐約束，
建立SINR、功率等約束下的優(yōu)化問題P1為：
{0,1} C5:blk= {0, 1} 對優(yōu)化問題P1進(jìn)行松弛處理，得到松弛問題P2 :
服從：Cn，C12,C2,C3 C4:0 ^ 1 (4) C5:0^blk^ 1執(zhí)行步驟二； 步驟三、結(jié)合預(yù)處理與BnC方法，求解優(yōu)化問題P1，具體流程為： 步驟三一、設(shè)置搜索樹初始節(jié)點(diǎn)，即：松弛問題P2,如果代表一個節(jié)點(diǎn)的松弛問題P2的 解不是整數(shù)可行解，那么選擇一個松弛二進(jìn)制變量進(jìn)行分枝； 步驟三二、從當(dāng)前節(jié)點(diǎn)，通過將變量置1或0產(chǎn)生兩個子問題，兩個子問題分別代表當(dāng) 前節(jié)點(diǎn)的兩個子節(jié)點(diǎn)； 步驟三三、如果滿足以下三個條件中的任意一個，則刪除該節(jié)點(diǎn)及其根節(jié)點(diǎn)： 條件（1)、如果松弛問題P2沒有可行解，那么刪除該節(jié)點(diǎn)； 條件（2)、如果某一節(jié)點(diǎn)松弛問題P2有整數(shù)可行解，那么刪除該節(jié)點(diǎn)，并記錄該整數(shù)可 行解； 條件（3)、如果某一節(jié)點(diǎn)松弛問題P2的最大目標(biāo)值大于已知的整數(shù)可行解對應(yīng)的最優(yōu) 目標(biāo)值，那么刪除該節(jié)點(diǎn)及其對應(yīng)的子節(jié)點(diǎn)；執(zhí)行步驟四； 步驟四、對二進(jìn)制變量{七/vVAeK,/eA}進(jìn)行預(yù)處理，根據(jù)dlk和glk的大小，如果dlk>dth，blk= 0 ;如果dlk<d也時，當(dāng)glk>gth，則blk= 1，否則blk= 0 ;將預(yù)處理結(jié)果代入執(zhí) 行步驟三中PBnC方法中，完成基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法， 其特征在于步驟一所述根據(jù)基站總功率消耗模型和回程鏈路容量開銷，建立功率和回程容 量的折中模型具體為： 對每個用戶的數(shù)據(jù)都采用波束成型，那么在第1個基站處的發(fā)送信號為：
其中，標(biāo)量sk表示用戶k的復(fù)信號，wlkeCNX1為基站1到用戶k的波束成型向量；用 戶k的接收信號表示為：
其中，hf為基站1到用戶k的信道向量的共軛轉(zhuǎn)置，％ ~CW(0，crA2)為加性高斯噪聲； 當(dāng)采用單用戶檢測時，用戶k的接收SINR表示為：
其中，
為L個基站到用戶k的波束成形，如果基站1沒有分 配用戶k的數(shù)據(jù)，那么波束向量
：為L個基站到k的信道矢 量； 用戶k的可達(dá)速率為： Rk=log(l+SINRk) (8) 同時，假設(shè)每個BS的最大功率為匕，且滿足：
基站功率消耗模型：每個基站的功率消耗費(fèi)包括非發(fā)送功率和發(fā)送功率，非發(fā)送功率 消耗中的直流功率是恒定的，而基站的發(fā)送功率依賴于功率放大器的狀態(tài)； 引入一個二進(jìn)制變量{〇, 1}來表征第1個功率放大器的狀態(tài)，a1= 1表示功率放 大器處于激活狀態(tài)，否則，處于關(guān)閉狀態(tài)； 同時，引入丨〇」!.. A表示基站的分配情況，bik= !表示基站丄服務(wù)于用戶 k，否則，基站1不分配用戶k的數(shù)據(jù)； 可知，當(dāng)blk= 0時，對應(yīng)的波束向量wlk= 0 ; 當(dāng)基站1關(guān)閉時，即a。0,并且心=0,wtt =0,WeK; 因此，得到如下關(guān)系：
假設(shè)基站1的直流功率用表示，空閑時功率放大器的功率為乃?，發(fā)送功率為
，那么，基站1總功率表示為：
設(shè)直流功率為0或者直接將其去掉，因此，得到基站總功率為：
其中，1為功率放大器的效率； 回程鏈路容量開銷定義：對于速率為Rk的用戶，它所產(chǎn)生的回程開銷為： Ck=card(〇k)Rk (14) 其中，〇k表示為用戶k服務(wù)的基站集，card〇表示求集合中元素的個數(shù)； 那么系統(tǒng)中總的回程鏈路容量開銷為：
其中，I卜IL表示〇元素的個數(shù)，即服務(wù)于用戶k的基站個數(shù)； 從基站角度而言，基站1與中央處理器的回程鏈路容量開銷為基站1服務(wù)的各個用戶 速率之和，即：
其中，II?I|2表示歐式范數(shù)，即二范數(shù)； 所以，系統(tǒng)中總的回程鏈路容量開銷為：
對比上述兩種回程鏈路容量開銷可知， 則對于總回程容量滿足如下約束：
每個基站的回程滿足如下約束：
為了實(shí)現(xiàn)功率消耗和回程容量開銷的折中，將回程容量放到目標(biāo)函數(shù)中進(jìn)行優(yōu)化，得 到優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)為：
優(yōu)化公式（15)得到的優(yōu)化解，有相應(yīng)的回程容量與各個基站的回程容量及總?cè)萘颗c 之對應(yīng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法， 其特征在于步驟二所述將非凸的SINR約束轉(zhuǎn)化為二階錐約束、以及對優(yōu)化問題P1進(jìn)行松 弛處理的具體方法為： 對于優(yōu)化問題P，將功率消耗和回程容量開銷的折中建模為：
其中，為了控制優(yōu)化問題P的解的稀疏性，引入一個正實(shí)數(shù)A，C2表示每個基站的最大 發(fā)送功率受限，激活-關(guān)閉約束C3采用了大M方法，目的是為了確保wlk= 0時使得blk = 〇 ； 由于SINR約束條件Ci是非凸約束，因此，優(yōu)化問題P是一個混合整數(shù)規(guī)劃非凸優(yōu)化問 題，無法對其進(jìn)行直接求解； 將SINR約束條件Q轉(zhuǎn)化為凸約束，如果波束成形wk滿足SINR約束條件Ci，那么波束 成形?
也滿足該約束條件；即：波束成形wk和
具有相同 的功率； 因此，選擇一個適當(dāng)?shù)膴A角0k能夠使得hfW(S.為一個非負(fù)的實(shí)數(shù)； SINR約束改寫為：
將上式帶入優(yōu)化問題P得到一個混合整數(shù)二階錐規(guī)劃（MI-SOCP)，即優(yōu)化問題P1 :
時，表示所有基站都處于激活狀態(tài)； 對于任意的用戶k，當(dāng)
時，表示每個用戶只被一個基站服務(wù)，此時的問題求解 相當(dāng)于協(xié)作波束成形設(shè)計；
時，表示完全協(xié)作，即每個用戶都由系統(tǒng)中的所有基站服務(wù)；
表不部分協(xié)作； 為了求解優(yōu)化問題P1，首先對二進(jìn)制變量做凸連續(xù)松弛處理，將該問題轉(zhuǎn)化為一個連 續(xù)的SOCP問題，
其中，約束條件C4和C5被擴(kuò)展到[0，1]閉區(qū)間上，原來非連續(xù)約束變成了連續(xù)約束。
【專利摘要】一種基于預(yù)處理的分枝剪枝聯(lián)合網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和波束成形方法，涉及無線通信領(lǐng)域。為了充分挖掘協(xié)作多點(diǎn)傳輸中聯(lián)合傳輸?shù)膬?yōu)勢，實(shí)現(xiàn)功率優(yōu)化和回程鏈路開銷的折中，降低系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，本發(fā)明首先將功率消耗和回程鏈路開銷折中的優(yōu)化問題建模為一個非凸的混合整數(shù)規(guī)劃問題，通過將非凸約束轉(zhuǎn)變?yōu)橥辜s束，得到一個MI-SOCP問題，然后對二進(jìn)制整數(shù)約束進(jìn)行松弛處理，轉(zhuǎn)化為一個SOCP問題。再將BnB法與切平面法相結(jié)合得到的BnC法，以及對部分二進(jìn)制整數(shù)變量進(jìn)行預(yù)處理，確定變量的取值，將兩者相結(jié)合，從而大大降低了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度，優(yōu)化功率和回程鏈路開銷。本發(fā)明適用于無線網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域中的信號處理。
【IPC分類】H04W16-28, H04W24-02
【公開號】CN104581780
【申請?zhí)枴緾N201410788944
【發(fā)明人】徐玉濱, 王勇, 馬琳, 崔揚(yáng), 劉寧慶
【申請人】哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月18日