一种在多用户MIMO-OFDM系统中的功率速率双目标优化方法技术方案

本发明专利技术公开了一种在多用户MIMO‑OFDM系统中的功率速率双目标优化方法。提高多用户MIMO‑OFDM系统性能的关键在于对功率和频率资源的有效利用。功率优化和速率优化这两个目标，在传统的优化算法中一直是对立的，一方性能的提高会带来另一方性能的下降。本发明专利技术建立了功率和速率的双目标优化模型。并且通过设计了原问题的对偶问题，解决了原问题的非凸性，将原问题转变为了可以用凸优化技术求解的凸优化问题。在求解对偶问题时，提出了一种解决上述对偶问题的分解和迭代方法，大大减少了分配的复杂度。而且在满足系统最低吞吐量的前提下，通过控制迭代方法的精度，来尽量的最小化系统能耗，以及最大化系统吞吐量，实现功率速率双目标优化。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种LTE核心技术MIMO-OFDM中的资源分配技术，特别涉及一种在多用户MIMO-OFDM系统中的功率速率双目标优化方法，属于无线通信

技术介绍
随着现代通信对系统吞吐量的需求不断上升，通过无线资源(时、频、功率)分配提高系统吞吐量(频谱效率)非常重要。而在多用户MIMO-OFDM系统中，由于引入了空分多址，资源在可分配的维度上增加了一倍，使得原本就难以优化的资源分配问题更加复杂。为了降低复杂度，多数研究都对资源分配的自由度做了限制：比如，一些研究中都规定每个子载波上只容纳一个用户，就意味着放弃空分多址带来的资源增益。再比如，有些研究限定功率在每个子信道上平均分配，由于信道增益不同，功率平均分配使得条件好的信道不能充分利用功率资源实现更大的传输速率。`同时，由于对绿色通信的追求，在一定吞吐量条件下最小化系统总功率也日渐成为优化目标。由于功率优化和吞吐量优化在目标诉求上相互矛盾，所以，现有的大多数文献都是单目标优化策略。总的来说就是限定系统最低总速率，在此基础上来最小化系统消耗功率；或者是限定系统最大的总消耗功率，在此基础上来最大化系统总速率。据我们所知，目前文献中没有对多用户MIMO-OFDM系统中功率和速率进行双目标优化。不能进行双目标优化的根本原因是：1、存在非线性约束造成优化问题非凸难以求解；2、因为同一子载波对不同的用户具有不同的增益，在为子载波选择用户的时候，无法用传统的贪婪算法同时兼顾功率优化和速率优化，也就无法获得联合优化的次优解。因此，要联合优化这两个指标只能通过穷举法。由于多用户MIMO-OFDM较大的资源的自由度，用穷举法得到最优解在计算量上也不可行。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是提供一种在多用户MIMO-OFDM系统中的功率速率双目标优化方法，提出了一种在保证系统总速率的前提下，对多用户MIMO-OFDM系统中的功率和速率进行双目标优化的方法。传统的对LTE核心技术(MIMO-OFDM)的研究都局限于一个目标，要么是功率，要么是速率，本专利技术结合了这两个目标，建立了双目标优化模型，进一步提高了频谱效益和能量效益。本专利技术将用户选择融入到对功率优化和速率优化中完成，消除了对功率和速率这两个目标同时进行优化的矛盾性。首先，建立功率和速率的双目标优化模型。由于存在非线性约束，因此本专利技术设计了原问题的对偶问题，解决了原问题的非凸性，将原问题转变为了可以用凸优化技术求解的凸优化问题，同时证明了原问题和其对偶问题的对偶间隙为0，以及证明了通过求解对偶问题的最优解也即求得了原问题的最优解。主要是利用权重因子，将两个待优化的目标通过加权和的形式合并为一个目标。具体就是在优化功率的同时利用权重因子将速率考虑进来。在求解对偶问题时，提出了一种解决上述对偶问题的分解和迭代方法，大大减少了分配的复杂度。而且在满足系统最低吞吐量的前提下，通过控制迭代方法的精度，来尽量的最小化系统能耗，以及最大化系统吞吐量，实现了同时提高功率资源和频谱资源利用效率的目的。本专利技术为解决上述技术问题采用以下技术方案：本专利技术提供一种在多用户MIMO-OFDM系统中的功率速率双目标优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：定义多用户MIMO-OFDM中基站与用户通信的系统模型，具体为：基站与用户在同一时隙内通信，每个子载波上能够复用多个用户，用户间干扰通过预编码技术来消除，每个子载波上最大可复用的用户数为：NT/nr(1)式中，NT为基站发送天线数，nr为用户的接收天线数；第m个子载波上第i个用户的总的带宽归一化传输速率为：式中，ηi,m为第m个子载波上第i个用户的等效平行信道个数，pi,m,l为分配给某一等效平行信道l的功率，表示第m个子载波上第i个用户的第l个平行信道的等效信道增益，为第m个子载波上第i个用户的选择结果，若第i个用户在第m个子载波上则为1，否则为对于特定的误码率，是由非理想传输技术所带来的功率损失；No是满足零均值复高斯随机变量的信道噪声的功率；m＝1,2,3...,N，i＝1,2,3,...,Km，N为子载波个数，Km为第m个子载波上的用户数；步骤2：建立功率速率双目标优化模型，具体为：根据步骤1中得到的子载波上最大可复用的用户数以及公式(2)，建立功率速率双目标优化问题如下：式中，P为系统总消耗功率，R为系统要求的最低带宽归一化总速率；步骤3：求解步骤2建立的功率速率双目标优化模型，进行用户选择以及功率和速率的分配，其中，求解功率速率双目标优化模型具体为：设计功率速率双目标优化问题的对偶问题，功率速率双目标优化问题的对偶问题的最优解即为功率速率双目标优化问题的最优解。作为本专利技术的进一步优化方案，步骤1中用户间干扰通过预编码技术来消除，其中，发送预编码矩阵的求解方法具体为：令Hi,m为第m个子载波上第i个用户的信道矩阵，为第m个子载波上其他用户的信道矩阵所组成的大矩阵，即为第i个用户的干扰联合矩阵；对进行奇异值分解并做以下变换：其中，和为酉矩阵，满足为的零奇异值和非零奇异值构成的对角矩阵；Σ1是非零奇异值构成的矩阵；是的非零奇异值对应的左奇异值向量；是的零奇异值所对应的右奇异值向量，称为的零空间；对式(4)再做如下变化：左乘同时右乘得到：由矩阵相乘的性质得到：式(6)两边左乘可以得到：式(7)有解的条件是每个子载波上最大可复用的用户数为：NT/nr(8)定义：对于子载波m，定义基站端的发送预编码矩阵其中其中，是经奇异值分解后对应的奇异值向量，奇异值分解为：其中，为酉矩阵，满足为的零奇异值和非零奇异值构成的对角矩阵。作为本专利技术的进一步优化方案，第m个子载波上第i个用户的总的带宽归一化传输速率的计算方法为：首先，将信道Hi,m等效成ηi,m个平行信道，ηi,m为矩阵的秩；其次，利用香农定理可以得到第l个等效平行信道的归一化带宽传输速率：最后，在第m个子载波上，将第i个用户的ηi,m个等效平行信道的归一化带宽传输速率相加，得到第m个子载波上第i个用户的总的带宽归一化传输速率：作为本专利技术的进一步优化方案，步骤3中设计功率速率双目标优化问题的对偶问题，具体为：利用权重因子，把两个待优化的目标通过加权和的形式合并为一个目标，构造拉格朗日函数为：其中，υ为权重因子；令：从而得到，功率速率双目标优化问题的对偶问题为：作为本专利技术的进一步优化方案，步骤3中功率速率双目标优化问题的对偶问题的最优解的求解方法为：5.1，将双目标优化问题的对偶问题分解成N个子载波上的子问题，利用凸优化方法分别求解每个子问题，进而得到对偶函数，具体为：根据式(11)和(14)，将h(υ)分解成N个独立的子问题h'm(υ)，m＝1,2,3…,N：其中：5.2，假设对于第m个子载波，用户选择结果已知，则先通过凸优化方法得出最优的功率及相应的速率表达式，然后进行用户选择和求解使得h(υ)最大的υ*，具体为：1)式(17)的最小化问题转化为：2)引进拉格朗日乘子向量θi,m,l，将式(18)写成如下形式的拉格朗日函数：3)式(18)的优化问题得到最优解需满足的如下条件：pi,m,lθi,m,l＝0(21)式中，▽表示对pi,m,l求导；式(21)恒成立的条件是：将式(22)带入式(20)并求导得到：式中，(本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在多用户MIMO‑OFDM系统中的功率速率双目标优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：定义多用户MIMO‑OFDM中基站与用户通信的系统模型，具体为：基站与用户在同一时隙内通信，每个子载波上能够复用多个用户，用户间干扰通过预编码技术来消除，每个子载波上最大可复用的用户数为：NT/nr   (1)式中，NT为基站发送天线数，nr为用户的接收天线数；第m个子载波上第i个用户的总的带宽归一化传输速率为：ri,m∂i,m=Σl=1ηi,mlog2(1+pi,m,l(si,m,l∂i,m)2ΓN0)---(2)]]>式中，ηi,m为第m个子载波上第i个用户的等效平行信道个数，pi,m,l为分配给某一等效平行信道l的功率，表示第m个子载波上第i个用户的第l个平行信道的等效信道增益，为第m个子载波上第i个用户的选择结果，若第i个用户在第m个子载波上则为1，否则为0；对于特定的误码率，是由非理想传输技术所带来的功率损失；No是满足零均值复高斯随机变量的信道噪声的功率；m＝1,2,3...,N，i＝1,2,3,...,Km，N为子载波个数，Km为第m个子载波上的用户数；步骤2：建立功率速率双目标优化模型，具体为：根据步骤1中得到的子载波上最大可复用的用户数以及公式(2)，建立功率速率双目标优化问题如下：min{pi,m,l}P=Σm=1NΣi=1KmΣl=1ηi,mpi,m,l]]>subject tomax{∂i,m}Σm=1NΣi=1Kmri,m∂i,m≥R---(3)]]>式中，P为系统总消耗功率，R为系统要求的最低带宽归一化总速率；步骤3：求解步骤2建立的功率速率双目标优化模型，进行用户选择以及功率和速率的分配，其中，求解功率速率双目标优化模型具体为：设计功率速率双目标优化问题的对偶问题，功率速率双目标优化问题的对偶问题的最优解即为功率速率双目标优化问题的最优解。...

【技术特征摘要】
1.一种在多用户MIMO-OFDM系统中的功率速率双目标优化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1：定义多用户MIMO-OFDM中基站与用户通信的系统模型，具体为：基站与用户在同一时隙内通信，每个子载波上能够复用多个用户，用户间干扰通过预编码技术来消除，每个子载波上最大可复用的用户数为：NT/nr(1)式中，NT为基站发送天线数，nr为用户的接收天线数；第m个子载波上第i个用户的总的带宽归一化传输速率为：ri,m∂i,m=Σl=1ηi,mlog2(1+pi,m,l(si,m,l∂i,m)2ΓN0)---(2)]]>式中，ηi,m...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘甦，李晓燕，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32