[发明专利]一种基于稳定接入关系的基站激活和波束成形方法

权利要求书

1.一种基于稳定接入关系的基站激活和波束成形方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：设置网络参数：

所述参数包括各基站发送功率阈值P，噪声功率σ²，用户QoS要求γ_m，m＝1,2,...,M，M为用户总数，基站总数为K，单位时间内维持基站活跃与基站切换所消耗的能量分别为λ₁,λ₂，ADMM算法惩罚因子c，ADMM算法最大迭代次数r_max，收敛门限κ，一个通信周期的时隙长度L；

步骤2：初始化时隙l＝1，第0个时隙的基站状态向量

步骤3：利用ADMM算法，求解波束成形矩阵W和基站状态向量s，其具体求解过程如下:

步骤3-1：设置迭代次数r＝1；

输入第l个时隙所有基站与用户间的实际信道参数矩阵H(l)₀；

输入第l个时隙所有基站与用户间的训练信道参数矩阵H(l)_t，t＝1,2,...,T和前一时隙基站状态向量定义L为时隙数量，H(l)_t在t＝0时表示第l个时隙内所有基站与用户间的实际信道信息，在t＝1,2,...,T时表示第l个时隙根据信道统计特性估计的第l+1时隙的信道样本，T为训练样本数量，N为基站配备天线根数；

初始化波束成形矩阵W(l)⁽⁰⁾、基站状态向量s(l)⁽⁰⁾、辅助矩阵F(l)⁽⁰⁾、波束形成镜像矩阵U(l)⁽⁰⁾、基站状态切换镜像向量y(l)⁽⁰⁾、基站状态镜像向量x(l)⁽⁰⁾、第一拉格朗日乘子θ(l)⁽⁰⁾、第二拉格朗日乘子Ψ(l)⁽⁰⁾、第三拉格朗日乘子Φ(l)⁽⁰⁾和第四拉格朗日乘子ξ(l)⁽⁰⁾；

步骤3-2：更新波束成形矩阵W(l)和基站状态向量s(l)：

将波束成形矩阵W(l)和基站状态向量s(l)分割成K(T+1)个块{s^k(l)_t，W^k(l)_t}进行更新，其中s^k(l)_t是基站状态向量s(l)_t的第k个元素，是波束成形矩阵W(l)_t的第k个行块，k＝1,2,...K，t＝0,1,2,...,T,W(l)_t在t＝0时，表示第l个时隙内所有基站与用户间的传输波束形成，在t＝1,2,...,T时，表示第l个时隙根据信道统计特性估计的第l+1时隙训练出来的波束成形；根据下式进行更新

其中，和分别是基站状态镜像向量第四拉格朗日乘子基站状态切换镜像向量和前一时隙的基站状态的第k个元素；和分别是波束成形镜像矩阵和第二拉格朗日乘子矩阵第k个行块，表示其值在范围[0,1]上的投影，是中间变量，其值由以下规则确定：

如果则ρ^k(l)_t＝0；

否则求解这是一个关于ρ^k(l)_t的一元三次方程，可解得ρ^k(l)_t，P_k代表第k个基站的射频能量预算；

步骤3-3：更新辅助矩阵F(l)：

将辅助矩阵F(l)分解为M(T+1)个块f^m(l)_t进行更新，其中是辅助矩阵F(l)_t的第m个行向量，m＝1,2,...,M，t＝0,1,2,...,T，根据以下情况更新

如果且则

如果且则

否则，根据下式计算

其中，向量和表示第三拉格朗日乘子矩阵和矩阵的第m个行向量，H^H(l)_t为H(l)_t的共轭转置，为的第m个元素，为去掉元素后的子向量，和分别为向量和的第m个元素，和分别为向量和去掉元素和后的子向量，γ_m表示第m个用户的QoS要求，μ^m(l)_t,δ^m(l)_t为中间变量，其值由以下规则确定：

如果则μ^m(l)_t＝0；

否则根据如下公式计算中间变量μ^m(l)_t和δ^m(l)_t；

步骤3-4：更新基站状态切换镜像向量y(l)_t：

将基站状态切换镜像向量y(l)_t，分解为KT个块y^k(l)_t进行更新，其中y^k(l)_t是基站状态切换镜像向量y(l)_t的k第个元素，k＝1,2,...,K，t＝1,2,...,T，根据以下公式更新

其中，是第四拉格朗日乘子的第k个元素，是转化矩阵A的第(t-1)K+k行向量；是第l个时隙所有基站状态镜像向量所组成的新向量：

步骤3－5：更新波束成形镜像矩阵U(l)：

将波束成形镜像矩阵U(l)分解为M(T+1)个块u_m(l)_t进行更新，其中为波束成形镜像矩阵U(l)_t的第m个列向量，

m＝1,2,...,M,t＝0,1,2,...,T，根据下式更新

其中，表示辅助矩阵的第m个列向量，表示第三拉格朗日乘子矩阵第m个列向量；和分别表示波束形成矩阵和第二拉格朗日乘子矩阵的第m个列向量；

步骤3-6：更新基站状态镜像向量x(l)，按照下式计算

其中，分别为所有的基站状态向量基站状态镜像向量和第一拉格朗日乘子组成的新的列向量,其中，和是由第l个时隙内基站状态切换镜像向量所组成的新的向量是由第l个时隙内第三拉格朗日乘子所组成的新向量A为定义TK×(T+1)K维的转换矩阵：

其中，I和0分别为K×K维的单位矩阵和零矩阵；

步骤3-7：更新基站状态切换镜像向量y(l)₀：

将基站状态切换镜像向量y(l)₀分解为K个块y^k(l)₀进行更新，其中y^k(l)₀是基站状态切换镜像向量y(l)₀的k第个元素，k＝1,2,...,K，根据以下公式更新

其中，和分别是基站状态向量第四拉格朗日乘子基站状态切换镜像向量和前一时隙的基站状态的第k个元素；

步骤3-8：更新第一拉格朗日乘子θ(l)、第二拉格朗日乘子Ψ(l)、第三拉格朗日乘子Φ(l)和第四拉格朗日乘子ξ(l)：

按照如下公式对第一拉格朗日乘子θ(l)，第二拉格朗日乘子Ψ(l)、第三拉格朗日乘子Φ(l)和第四拉格朗日乘子ξ(l)进行更新：

步骤3-9：若r<r_max，且有

则r＝r+1，转到步骤3-2，否则输出波束成形矩阵和基站状态向量

步骤4：若l<L，则l＝l+1，转到步骤3，否则算法结束。