基于满自由度传输协议的三小区多用户联合功率分配方法

摘要

本发明公开了一种基于满自由度传输协议的三小区多用户联合功率分配方法。该通信系统由三个小区所组成，每个小区包含一个单天线基站和两个处于小区边缘的单天线用户终端，且相邻小区的边缘用户位置较近，如摘要附图中所示。该通信系统依照满自由度传输协议，在三个时隙内完成三个小区与各自用户终端的信号传输过程，时隙先后顺序如摘要附图所示。该功率分配方法是以最大化系统能效为目标，以指定的系统最小频谱效率为约束条件，建立了以各基站到各自用户的发射功率为变量的联合优化模型。由于原始优化问题的目标函数具有拟凸性，利用于拉格朗日乘子法将其进行转化，并借助于Lambert W函数，得到各基站对各自用户的最优发射功率闭合形式解。

主权项

一种基于满自由度传输协议的三小区多用户联合功率分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1).根据满自由度传输协议，三个小区，即小区A、小区B和小区C，在三个时隙内交替传输对各自用户的数据信号，利用基于索引编码的拓扑干扰管理原理，获得系统的最大自由度；假设三个时隙内，基站到用户间的信道系数保持不变，且基站之间共享信道状态信息，具体传输过程如下：1.1).第1时隙，A小区基站和C小区基站同时分别向各自小区的1号用户发射信号，即a₁和c₁，B小区基站不发射任何信号，则各用户在第1时隙内接收到的信号分别表示如下：用户a1和用户b1的接收信号为：x₁＝g₁a₁+ν₁用户a2和用户c2的接收信号为：y₁＝g₂a₁+g₆c₁+n₁用户b2和用户c1的接收信号为：z₁＝g₅c₁+μ₁其中，ν₁，n₁和μ₁表示第1时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布g₁表示A小区基站到本小区1号用户的信道系数，g₂表示A小区基站到本小区2号用户的信道系数，g₅表示C小区基站到本小区1号用户的信道系数，g₆表示C小区基站到本小区2号用户的信道系数；1.2).第2时隙，A小区基站和B小区基站同时分别向各自小区的2号用户发射信号，即a₂和b₂，C小区基站不发射任何信号，则各用户在第2时隙内接收到的信号分别表示如下：用户a1和用户b1的接收信号为：x₂＝g₁a₂+g₃b₂+ν₂用户a2和用户c2的接收信号为：y₂＝g₂a₂+n₂用户b2和用户c1的接收信号为：z₂＝g₄b₂+μ₂其中，ν₂，n₂和μ₂表示第2时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布g₃表示B小区基站到本小区1号用户的信道系数，g₄表示B小区基站到本小区2号用户的信道系数；1.3).第3时隙，B小区基站向本小区1号用户发射信号b₁，C小区基站向本小区2号用户发射信号c₂，A小区基站不发射任何信号，则各用户在第3时隙内接收到的信号分别表示如下：用户a1和用户b1的接收信号为：x₃＝g₃b₁+ν₃用户a2和用户c2的接收信号为：y₃＝g₆c₂+n₃用户b2和用户c1的接收信号为：z₃＝g₅c₂+g₄b₁+μ₃其中，ν₃，n₃和μ₃表示第3时隙内用户终端处的加性高斯白噪声，且满足相同分布2).A小区基站对本小区1号和2号用户的发射功率为p₁和p₂，B小区基站对本小区1号和2号用户的发射功率为p₃和p₄，C小区基站对本小区1号和2号用户的发射功率为p₅和p₆，则经过步骤1)中的传输过程后，各个用户终端的接收信噪比(SNR)分别为：3).基于步骤2)中的接收信噪比，建立以最大化系统能效为目标，以指定的最小系统频谱效率为约束,以所有小区基站的发射功率为变量的功率分配优化问题，如下：其中，r表示多小区系统的总频谱效率，表示多小区系统的总功率消耗；4).将步骤3)中所述的功率分配优化问题等价转化为如下的最小化问题：5).利用拉格朗日乘子法，可以得到步骤4)中优化问题对应的拉格朗日函数f，如下：6).将f对p_k(k＝1,2,…,6)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下：7).化简步骤6)中的等式，得到表达式，如下：8).步骤7)中等式右侧是与k无关的，可以进一步简化得到表达式，如下：9).从步骤8)中的等式可以得到任意功率变量p_k和p_j的关系式，如下：10).令9)中表达式右侧k＝1，并代入7)中等式，化简后可以得到y_l表达式，如下：11).为便于求解步骤11)中关于变量p₁的方程的闭合形式解，将步骤11)中等式化简，可以得到如下表达式：12).对步骤11)中的等式采用以2为底的指数运算，并化简得到如下表达式：其中，为常量因子；13).利用Lambert W函数，可以直接求得p₁的闭合表达式如下：其中，表示Lambert W函数，其定义为：关于变量x的方程θ＝υe^υ，则关于υ的解可以用Lambert W函数表示，即14).将步骤13)中的表达式代入步骤9)中的等式，可以求得所有发射功率的闭合形式最优解，如下：其中，—加性高斯白噪声功率，α—任意基站发射机的功率放大器功率转换系数，β—所有基站的固定电路功率消耗，r₀—系统要求的最小频谱效率值，λ—拉格朗日乘子。