基于能效最优的多输入多输出中继系统联合功率分配方法技术方案

本发明专利技术公开了一种基于能效最优的多输入多输出中继系统联合功率分配方法。该通信系统由一个信源节点，一个信宿节点，一个放大转发中继节点所组成，且三个节点均配置多根收发天线。该方法是以最大化系统能效为目标，以指定的最小频谱效率为约束条件，首次建立了以多天线信源节点和多天线中继节点对多条数据流上的发射功率为变量的联合优化数学模型。通过高信噪比区间下的近似转换以及Jensen不等式，将原始的非凸优化问题转化为凸优化问题。再利用拉格朗日对偶函数凸优化算法，并借助于Lambert W函数，首次得到信源节点和中继节点功率变量的闭合形式最优解。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于无线通信
，具体设及基于能效最优的多输入多输出中继系统 联合功率分配方法。
技术介绍
多输入多输出两跳中继无线通信系统一直W来是工业界与学术界的研究热 点之一，并在近些年内获得了广泛的研究。它将多输入多输出（MIM0,Multiple-Input Multiple-Ou化Ut)技术与中继协作技术相结合，使得无线传输系统在系统吞吐量、链路可 靠性、系统频谱效率W及覆盖范围等方面性能获得了大幅提升。特别是在用户端和中继端 都引入多天线配置后，可W在不额外增加时频资源的情况下，使得系统获得更多的复用增 益与分集增益，有效提升系统性能。由此，业界普遍将多输入多输出中继无线通信系统作为 未来异构无线通信网络中的重要组成部分。 在对多天线中继系统的研究中，功率分配问题具有极其重要的意义，因为发射功 率直接决定了系统的容量性能，并且大多数针对功率分配的优化问题都是基于系统频谱效 率最大化或误差率最小化运些目标进行的。然而，随着绿色通信概念的提出，越来越多的目 光投向了W追求高能效为目标的功率分配方案。绿色通信所强调的是保证系统频谱效率的 同时，尽可能降低发射功率，W达到系统总能效的最大化。从实际意义来看，W能效为指标， 放弃了传统的W单纯增加发射功率来获得频谱效率最大化的设计思路，将整个通信系统的 功率功耗对人类生存、健康及环境所带来的负面影响考虑进来，从而更好的平衡系统频谱 效率性能与实际功耗开销。与此同时，在现有的W能效为目标的中继系统功率分配方案中， 大都是在只考虑发射机发射功率的条件下，来进行功率分配优化设计的，而在实际的通信 系统中，总功率消耗不单包括发射机的实际发射功率，还包括有维持各节点设备正常运转 时的固定电路功耗。因而，本专利的所提出的能效最优功率分配方案是考虑了两部分功耗 来进行优化设计的。 值得注意的是，在传统的多天线中继系统功率分配方案设计中，都是单独针对信 源节点或者中继节点的功率变量来设计的，而将两个节点处的功率变量联合优化设计却极 少见到，加之联合功率分配优化问题的目标函数过于复杂，对于优化问题的求解就更为困 难，更没有得到过最优功率分配方案的闭合形式解。 本专利技术公开了一种。该 通信系统由一个信源节点，一个信宿节点，一个放大转发中继节点所组成，且=个节点均配 置多根收发天线。该方法是W最大化系统能效为目标，W指定的最小频谱效率为约束条件， 首次建立了W多天线信源节点和多甜屯、中继节点对多条数据流上的发射功率为变量的联 合优化数学模型。通过高信噪比区间下的近似转换W及Jensen不等式，将原始的非凸优化 问题转化为凸优化问题。再利用拉格朗日对偶函数凸优化算法，并借助于Lambert W函数， 首次得到信源节点和中继节点功率变量的闭合形式最优解。
技术实现思路
本专利技术为使多输入多输出两跳中继系统获得较高的能效性能而提出一种基于能 效最大化的联合功率分配设计方法，并求得了功率分配变量的闭合形式解。 本专利技术的一种，包括W 下步骤： 1).信源节点通过信道估计获取信道系数矩阵H，中继节点通过信道估计获取信 道系数矩阵H和G，信宿节点通过信道估计获取信道系数矩阵G。在=个节点处分别对各 自获取的信道系数矩阵进行奇异值分解，即H=U|diag{、/i4V|"和G= ，其 中，^/^i' = 和a/S= [^&…，苗各,伽悼A;分别对应于H和G的奇异值；[000引 2).信源节点对L条数据流所组成的信号向量Z= [Zl，Z2，...，zJT采用预 编码矩阵F= \'冲蝶进行发射，即信源节点的发射信号向量为Fz，其中，Ps=[p,,i，P,,2, ...，P,,JT表示信源节点对于L条数据流上分配的功率所组成的向量，如图1中 信源节点发射机所示。信源发射信号经过信道H到达中继节点的信号为y=HFz+ni，并采 用预编码矩阵Uf进行发射，即中继转发信号为 Wy,其中，Pf= [Pf,i，Pf,2,. . . ,Pf.jT表示中继节点对于L条数据流上分配的功率所组成的向 量，如图1中中继节点收发信机所示。最后，中继转发的信号经过信道G后到达信宿节点。 在信宿节点处，利用解码处理矩阵为Q=Uf，对接收信号进行解码操作，获得解码后的数 据流信号向量d=QGWHFz+QGWni+化2,如图1中信宿节点接收机所示。 3).在中继节点处，W最大化系统能效为准则，W指定的最小系统频谱效率为约 束，联合求解W信源节点和中继节点对多条数据流上发射功率为参量的功率分配优化问 题，如下：其中，Ps= S.I.R>2/;,s.t.R> 2/；| 4).由于如中优化问题非凸问题，此处利用大信噪比条件，舍去如中目标函数分 子中所包含的噪声功率项口 并利用变量代换Xq= 1/Pw和y。= 1/Pg,q，将原最大化目 标函数问题，近似等价的变换为一种最小化目标函数问题，如下： 5).利用拉格朗日对偶优化方法，获得4)中的优化问题的拉格朗日对偶函数/， 如下： 6).将/对XiQ=1，2，...，L)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下： 7).由于6)中等式右侧是与Xi无关的，可W得到如下等式关系：[002引 8).将/对yi(l = 1，2，...，L)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下：[002引 9).合并6)与8)中等式，可W化简得到如下表达式： 10).将9)中表达式代入7)，化简后可W得到yi表达式，如下： 11).对8)中等式右侧分母项的第二项进行化简，可W得到如下表达式：其中，= 1，2,3,4)为常数参量。[003引12).为了求得功率分配变量的闭合形式解，利用Jensen不等式，即>，对8)中等式右边分子项进行转化，如下： 13).将9)，11)和代入8)中表达式，化简可W得到如下等式： 14).由于，将13)中等式两边同乘W该项，并化简得到如下表达式： 其中，y7和y8为常数参数。 15).对14)中等式两边取W自然常数为底的指数运算，并化简得到如下等式：[00川其中，JTi为常数参数。[004引16).利用LambertW函数，可W直接求得yi的闭合表达式如下： 其中，WR表示Lambert W函数，其定义为：关于变量X的方程0=xe%则关于 X的解可W用Lambert W函数表示，即龙=W{巧。[004引17).将16)中表达式代入10)式，可W得到信源节点对每条数据流的最优发射功 率闭合解，如下：其中，312为常数参数[004引18).将16)中表达式代入9)式，可W得到中继节点对每条数据流的最优发射功率 闭合形式解，如下：其中：（，）T一表示矩阵的转置运算，表示矩阵的共辆转置运算，diag{x|-W向量X为对角元素的对角阵，M-信源节点发射机天线数，K-中继节点收发机天线数， N一信宿接雙机天线数，EE-系统总能效，R一系统总频谱效率，-系统总功率消耗，K- 信源节点发射端输入数据流数且满足L=min{M，N，K}，H-信源节点到中继节点间信道系 数矩阵，G-中继节点到信宿节点间信道系数矩阵，Uili^,2-列正交矩阵，Vili^,2-列正交 矩阵，為一信道矩阵H的奇异值组成的列向量，據一信道矩阵G的奇异值组成的列向量， 辞本文档来自技高网...

【技术保护点】
基于能效最大化的多输入多输出中继系统功率分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：1).信源节点通过信道估计获取信道系数矩阵H，中继节点通过信道估计获取信道系数矩阵H和G，信宿节点通过信道估计获取信道系数矩阵G。在三个节点处分别对各自获取的信道系数矩阵进行奇异值分解，即和其中，和分别对应于H和G的奇异值；2).信源节点对L条数据流所组成的信号向量z＝[z1,z2,...,zL]T采用预编码矩阵进行发射，即信源节点的发射信号向量为Fz，其中，ps＝[ps,1,ps,2,...,ps,L]T表示信源节点对于L条数据流上分配的功率所组成的向量。信源发射信号经过信道H到达中继节点的信号为y＝HFz+n1，并采用预编码矩阵进行发射，即中继转发信号为Wy，其中，pr＝[pr,1,pr,2,...,pr,L]T表示中继节点对于L条数据流上分配的功率所组成的向量。最后，中继转发的信号经过信道G后到达信宿节点。在信宿节点处，利用解码处理矩阵为对接收信号进行解码操作，获得解码后的数据流信号向量d＝QGWHFz+QGWn1+Qn2。3).在中继节点处，以最大化系统能效为准则，以指定的最小系统频谱效率为约束,联合求解以信源节点和中继节点对多条数据流上发射功率为参量的功率分配优化问题，如下：其中，ps＝[ps,1,...,ps,L]T，pr＝[pr,1,...,pr,L]T4).由于3)中优化问题非凸问题，此处利用大信噪比条件，舍去3)中目标函数分子中所包含的噪声功率项并利用变量代换xq＝1/pr,q和yq＝1/ps,q，将原最大化目标函数问题，近似等价的变换为一种最小化目标函数问题，如下：5).利用拉格朗日对偶优化方法，获得4)中的优化问题的拉格朗日对偶函数如下：6).将对xl(l＝1,2,...,L)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下：7).由于6)中等式右侧是与xl无关的，可以得到如下等式关系：8).将对yl(l＝1,2,...,L)取一阶偏导，并令其为零，得到表达式，如下：9).合并6)与8)中等式，可以化简得到如下表达式：10).将9)中表达式代入7)，化简后可以得到yl表达式，如下：11).对8)中等式右侧分母项的第二项进行化简，可以得到如下表达式：其中，μi(i＝1,2,3,4)为常数参量。12).为了求得功率分配变量的闭合形式解，利用Jensen不等式，即对8)中等式右边分子项进行转化，如下：13).将9)，11)和12)代入8)中表达式，化简可以得到如下等式：14).由于将13)中等式两边同乘以该项并化简得到如下表达式：其中，μ7和μ8为常数参数。15).对14)中等式两边取以自然常数为底的指数运算，并化简得到如下等式：其中，π1为常数参数。16).利用Lambert W函数，可以直接求得y1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＝xex，则关于x的解可以用Lambert W函数表示，即17).将16)中表达式代入10)式，可以得到信源节点对每条数据流的最优发射功率闭合解，如下：其中，π2为常数参数18).将16)中表达式代入9)式，可以得到中继节点对每条数据流的最优发射功率闭合形式解，如下：其中：(·)T—表示矩阵的转置运算,(·)H—表示矩阵的共轭转置运算， diag{x}—以向量x为对角元素的对角阵，M—信源节点发射机天线数，K—中继节点收发机天线数，N—信宿接受机天线数，EE—系统总能效，R—系统总频谱效率，Ptotal—系统总功率消耗，K—信源节点发射端输入数据流数且满足L＝min{M,N,K}，H—信源节点到中继节点间信道系数矩阵，G—中继节点到信宿节点间信道系数矩阵，Ui|i＝1,2—列正交矩阵，Vi|i＝1,2—列正交矩阵，—信道矩阵H的奇异值组成的列向量，—信道矩阵G的奇异值组成的列向量，—中继节点处的加性高斯白噪声功率，—信宿节点处的加性高斯白噪声功率，ps,l—信源节点发射机在第l条数据流上分配的发射功率，pr,l—中继节点处在第l条数据流上分配的发射功率，α—信源节点发射机功率放大器功率转换系数，δ1—信源节点发射机每根天线上的静态功耗，φ—信源节点发射机的固定电路功耗，β—中继节点发射机功率放大器功率转换系数，δ1—中继节点收发机每根天线上的静态功耗，—中继节点发射机的固定电路功耗，r0—系统要求的最小频谱效率值，λ—拉格朗日乘子，算法中的常量参数包括：。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：李春国，王毅，杨绿溪，王东明，郑福春，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32