基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法技术方案

技术编号:18357097 阅读:60 留言:0更新日期:2018-07-02 11:37
本发明专利技术公开了一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法,属于无线通信技术领域。该系统由多个信源节点、多个信宿节点和一个中继节点所组成,信源节点与信宿节点一一对应组成通信对,中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发,在两个时隙内完成信息传递。系统中所有信源和信宿节点均配置单根天线,中继节点配置大规模天线阵列。本发明专利技术方法以最大化系统能效为目标,以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量建立数学模型,再采用交替迭代优化算法及目标函数的部分凸性和拉格朗日对偶法,获得了中继节点最优发射功率和中继最优天线数的闭合形式解。

【技术实现步骤摘要】
基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法
本专利技术属于无线通信
,具体涉及基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法。
技术介绍
近年来,大规模多输入多输出(简称大规模MIMO)技术吸引了无线通信领域学术界与工业界越拉越多的目光,并被广泛认为是第五代移动通信系统的关键技术之一。大规模MIMO技术是指在基站端集中配备大规模数量的天线阵列来同时服务数量相对较小的多个用户,有研究指出,通过在基站端使用大规模天线阵列挖掘空域可用资源,可以获得许多相对于传统MIMO系统的新特性,诸如,信道快衰落和热噪声被平均(又称信道硬化),显著降低基站端和用户端的发射功率而不影响系统的可达速率性能,超高的空间分辨率可用于精准的波束对准,以及简单的线性处理便可以几近完美的消除多用户间干扰影响等等。与此同时,多天线中继通信系统作为未来异构网络中的重要组成部分也一直受到众多研究机构和设备厂商的广泛关注。通过引入多天线中继节点,可以在小区覆盖范围、边缘用户吞吐量、链路可靠性和传输功耗等方面获得诸多性能提升。但是,在多用户中继系统中,用户间干扰一直是限制多天线中继系统性能的主要因素。针对该问题,业界提出两类主流的解决方案:一类是利用时频资源的正交性,将不同用户调度在不同的时频资源块上,通过增加视频资源消耗来抑制用户间干扰;另一类则是通过联合设计预编码和接收机模块来达到降低用户间干扰的目的。然而,第一类方法虽然可以获得较好的用户间干扰消除效果,但是消耗了过多的系统时频资源,对系统整体的频谱效率性能的负面影响较大。第二种方法在实现复杂度方面带来了较大的困难,联合设计的算法通常复杂度过高,对中继节点和信宿节点的硬件计算资源提出了更高的要求。考虑到大规模MIMO技术采用低复杂度线性处理即可较好消除用户间干扰这一特性,HimalA.Suraweera等人于2013年首次提出将大规模MIMO技术引入多用户多天线中继系统,利用大规模MIMO在多用户通信中所提供的抑制多用户干扰能力来解决成对用户多天线中继系统的用户间干扰问题,这使得大规模天线中继的系统性能有了较大的增长潜力,同时,也可以利用大规模MIMO技术的简单线性处理方式大大降低中继节点与信宿节点的计算资源开销。值得注意的是,在将大规模天线阵列引入中继节点的同时,也不可避免的会带来若干问题。大规模天线阵列的使用可以使信源用户发射功率和中继节点发射功率成倍降低而不影响系统频谱效率,这对于提升系统的发射功率效率是十分有益的。然而,与大规模天线阵列密切相关的射频链路固定功耗将随天线数成倍提升,而固定电路总功耗的提升势必会对中继通信系统的整体能效性能造成影响。特别是当固定电路总功耗远大于发射功耗时,持续增加天线数会使得系统的总能效性能不升反降。由此可见,中继天线数的增加可以减少发射功耗,却会增加射频链路的电路功耗,在中继天线数与发射功率之间,存在着一个折中,联合考虑信源节点发射功率、中继节点发射功率以及中继天线数的资源分配问题具有十分重要的实际意义和应用背景,特别是在绿色通信概念下,发射功率和天线数的分配会直接影响到系统的能效水平,而这一问题尚未有研究人员涉足。为了解决大规模天线中继系统中的资源分配问题,我们提出了基于能效最大化的信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数联合资源分配优化模型,由于该模型中目标函数过于复杂且没有精确的解析表达式,因而优化问题求解过程十分困难。本专利技术公开了一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法。该系统包括多个信源节点、多个信宿节点和一个中继节点,所述信源节点与信宿节点一一对应,组成通信对,中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发,在两个时隙内完成信息传递。系统中所有信源和信宿节点均配置单根天线,中继节点配置大规模天线阵列。本专利技术方法以最大化系统能效为目标,以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量建立数学模型。由于该优化问题中目标函数无精确解析表达式,因此,借助于Jensen不等式和逆Wishart矩阵统计特性,求目标函数的一种精确下界解析表达式。利用该解析表达式关于优化变量的各自拟凹特性,获得信源节点与中继节点最优发射功率的数学关系式,将三变量优化问题转化为两变量优化问题。进而,利用分式规划性质将原优化问题等价转化为减法形式,提出一种交替迭代优化算法。再根据减式形式目标函数的部分凸性和拉格朗日对偶法,获得了中继节点最优发射功率和中继最优天线数的闭合形式解。
技术实现思路
本专利技术为使成对用户大规模天线中继系统获得较高的能效性能而提出一种基于能效最优的多用户大规模天线中继系统资源分配方法,给出一种交替迭代优化算法求得了中继节点发射功率与中继节点天线数的闭合形式解。本专利技术的基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法,所述中继系统包括K个信源节点、K个信宿节点和一个中继节点,所述信源节点与信宿节点一一对应,组成通信对,所述中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发,在两个时隙内完成信息传递;所述中继系统采用时分双工制式,采用了一定的用户调度策略,将具有相同大尺度衰落的信源节点或信宿节点放在一个时频资源块中,且信道服从平坦块衰落,其特征在于,所述方法包括以下步骤:S1.建立以最大化系统总能效为目标,以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量的数学模型;S2.利用Jensen不等式和逆Wishart矩阵的各阶距特性,求用户频谱效率的下界解析表达式;并基于所述中继节点部署的大规模天线数远大于用户数对所述的下界解析表达式近似化简,将所述近似化简的下界解析表达式,以及将信源节点与中继节点最优发射功率数学关系式代入原始优化问题的目标函数;S3.用交替迭代算法,求中继节点最优发射功率和中继节点最优天线数;以及S4.中继节点将信源节点最优发射功率值反馈通知所有信源节点,并将中继节点发射功率和中继节点天线数调至S3所得的最佳值。进一步地,所述步骤S1包括如下步骤:1).中继节点通过信道估计获得它到所有信源节点和信宿节点间的理想信道状态信息,即信道矩阵和其中,hk表示第k个信源节点到中继节点的信道向量且服从复高斯分布表示信源节点到中继节点的大尺度衰落因子,表示中继节点到第k个信宿节点的信道向量且服从复高斯分布表示中继节点到信宿节点的大尺度衰落因子;假设系统采用时分双工制式,且信道服从平坦块衰落,也即在信道相干时间内信道系数保持不变;假设系统采用了一定的用户调度策略,将具有相同大尺度衰落的信源节点(信宿节点)放在一个时频资源块中;2).在第一时隙内,K个信源节点同时向中继节点发送信息符号,则在中继节点处的接收信号向量r可以表示为如下形式,其中,s=[s1,s2,...,sK]T,sk(k=1,2,...,K)表示第k个信源节点的发射符号且nr表示第一时隙在中继节点处的加性白噪声且满足复高斯分布ρs表示每个信源节点的平均发射功率变量;3).在第二时隙内,中继节点采用迫零接收和迫零预编码对接收到的信号r进行放大转发,其处理矩阵为所形成的转发信号向量yt如下所示,yt=Dyr其中,ψ为功率归一化因子用以满足中继节点处的平均总发射功率约束ρr,即本文档来自技高网
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基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法

【技术保护点】
1.一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法,所述中继系统包括K个信源节点、K个信宿节点和一个中继节点,所述信源节点与信宿节点一一对应,组成通信对,所述中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发,在两个时隙内完成信息传递;所述中继系统采用时分双工制式,采用了一定的用户调度策略,将具有相同大尺度衰落的信源节点或信宿节点放在一个时频资源块中,且信道服从平坦块衰落,其特征在于,所述方法包括步骤:S1.建立以最大化系统总能效为目标,以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量的数学模型;S2.利用Jensen不等式和逆Wishart矩阵的各阶距特性,求用户频谱效率的下界解析表达式;并基于所述中继节点部署的大规模天线数远大于用户数对所述的下界解析表达式近似化简,将所述近似化简的下界解析表达式,以及将信源节点与中继节点最优发射功率数学关系式代入原始优化问题的目标函数;S3.用交替迭代算法,求中继节点最优发射功率和中继节点最优天线数;以及S4.中继节点将信源节点最优发射功率值反馈通知所有信源节点,并将中继节点发射功率和中继节点天线数调至S3所得的最佳值。...

【技术特征摘要】
1.一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法,所述中继系统包括K个信源节点、K个信宿节点和一个中继节点,所述信源节点与信宿节点一一对应,组成通信对,所述中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发,在两个时隙内完成信息传递;所述中继系统采用时分双工制式,采用了一定的用户调度策略,将具有相同大尺度衰落的信源节点或信宿节点放在一个时频资源块中,且信道服从平坦块衰落,其特征在于,所述方法包括步骤:S1.建立以最大化系统总能效为目标,以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量的数学模型;S2.利用Jensen不等式和逆Wishart矩阵的各阶距特性,求用户频谱效率的下界解析表达式;并基于所述中继节点部署的大规模天线数远大于用户数对所述的下界解析表达式近似化简,将所述近似化简的下界解析表达式,以及将信源节点与中继节点最优发射功率数学关系式代入原始优化问题的目标函数;S3.用交替迭代算法,求中继节点最优发射功率和中继节点最优天线数;以及S4.中继节点将信源节点最优发射功率值反馈通知所有信源节点,并将中继节点发射功率和中继节点天线数调至S3所得的最佳值。2.如权利要求1所述的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法,其特征在于,所述步骤S1包括步骤:1).中继节点通过信道估计获得它到所有信源节点和信宿节点间的理想信道状态信息,即信道矩阵和其中,hk表示第k个信源节点到中继节点的信道向量且服从复高斯分布表示信源节点到中继节点的大尺度衰落因子,表示中继节点到第k个信宿节点的信道向量且服从复高斯分布表示中继节点到信宿节点的大尺度衰落因子;2).在第一时隙内,K个信源节点同时向中继节点发送信息符号,则在中继节点处的接收信号向量r可以表示为如下形式,其中,s=[s1,s2,...,sK]T,sk(k=1,2,...,K)表示第k个信源节点的发射符号且nr表示第一时隙在中继节点处的加性白噪声且满足复高斯分布ρs表示每个信源节点的平均发射功率变量;3).在第二时隙内,中继节点采用迫零接收和迫零预编码对接收到的信号r进行放大转发,其处理矩阵为所形成的转发信号向量yt如下所示,yt=Dyr其中,ψ为功率归一化因子用以满足中继节点处的平均总发射功率约束ρr,即,则,然后,中继节点将信号yt转发至所有信宿节点,则第k个信宿节点接收到的信号可以表示为如下形式,其中,nk表示第k个信宿节点处的加性白噪声且满足复高斯分布4).基于步骤3)中信宿节点的接收信号表达式,可以得第k个信宿节点的接收信干噪比表达式如下所示,从而可以得到第k个信宿节点的平均频谱效率:其中,表示将占用的两个时隙资源考虑在内所产生的频谱效率损失;5).基于步骤4)中平均频谱效率表达式,在中继节点处建立以最大化系统总能效函数η(ρs,ρr)为目标,以信源节点发射功率ρs和中继节点发射功率ρr为变量的数学优化模型,如下所示,其中,EE(p,N)表示能效函数,S(p,N)表示系统的总频谱效率,Ptot(p,N)表示系统的总功率消耗,μs≥1表示每个信源节点发射机功放器件的效率损耗常量因子,μr≥1表示中继节点发射机功放器件的效率损耗常量因子,Ps表示每个信源节点发射机的常量固定功率消耗,Pr表示中继节点收发机每根天线上的常量固定功率消耗;所述步骤S2包括步骤:6).根据Jensen不等式可以得到步骤...

【专利技术属性】
技术研发人员:王毅马鹏阁张松炜杨少川王丹刘兆瑜郭荣幸张宏亮赵飞闫利超刘亚黄开枝许晓明王兵陶然
申请(专利权)人:郑州航空工业管理学院
类型:发明
国别省市:河南,41

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