电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法技术

本发明专利技术公开了一种电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法。该方法中，电磁辐射度量标准采用电磁波吸收比值SAR。该方法通过利用信道的统计状态信息，优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，使其在满足功率约束和电磁辐射局部暴露约束的前提下，最大化谱效和能效的加权和。其中，算法的设计主要利用了确定性等同原理，二次变换，变量松弛和迭代注水算法。本发明专利技术方法复杂度低，当各用户的电磁辐射系数以及与基站之间的统计信道信息发生变化时，用户端可以动态实施满足电磁辐射约束下的谱效能效加权和最大化的传输方法，优化得到传输信号的协方差矩阵。

【技术实现步骤摘要】
电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法
本专利技术属于通信领域，具体涉及一种利用统计信道状态信息的电磁辐射约束下多用户MIMO上行链路谱效能效联合优化的传输方法。
技术介绍
电磁(EM)暴露是指电磁波在传播过程中引起的暴露，通常与使用的各种电子设备、人造光和其他自然活动(比如太阳黑子活动)有关。在过去的几十年里，无线通信的迅猛发展使其成为公众电磁辐射最重要的来源之一。特别地，随着物联网技术在第五代网络中的推广，无线连接设备的激增将使人们更容易受到高剂量电磁辐射的伤害。研究表明，过量的电磁辐射对人体器官和认知功能有不良的生理影响。为确保公共健康，许多政府部门和通信监管机构限制了无线设备发射的电磁辐射剂量。在上行链路通信中，用户主要受发射天线的近场影响，其中电磁波吸收比值(SAR，或称比吸收率)是测量电磁辐射的标准指标。SAR用单位W/kg来表征人体组织单位质量的吸收功率。对于100kHz至6GHz的频率，根据联邦通信委员会(FCC)标准，无线设备对于局部人体射频暴露的SAR峰值限制在1.6W/kg。过去已经有许多理论说明了SAR限制的增加对通信系统的影响，从结果上看，SAR的峰值可能比平均值高得多，因此在发送端的设计通常需要满足SAR最坏情况的限制，这可以通过简单地降低单天线传输中的发射功率来实现。然而，当今的通信系统通常采用多天线蜂窝设备来提高上行链路的频谱效率，在这种情况下，之前的功率回退算法就变得效率低下。一些文献还研究了在每个用户上施加多个SAR约束时，最大化可实现和速率的最优SAR感知预编码设计。虽然所有这些SAR感知的研究主要是为了最大限度地提高谱效或能效，但在实际通信系统中通常有必要同时考虑系统的谱效和能效性能。该方案采用资源效率(RE)作为谱效和能效的加权和，用以实现两者的折中。本专利技术解决了在上行链路多用户MIMO系统中，利用统计CSI在满足功率和电磁辐射约束的情况下的资源效率最大化问题。为了简化目标函数的计算，首先使用确定性等价(DEs)来获得谱效的渐近紧逼近，然后，利用二次变换处理转化为求解一系列凸问题，通过引入一个松弛变量，并将每个子问题转化为强对偶问题，在此基础上提出了一种改进的注水预编码算法。
技术实现思路
专利技术目的：针对上行链路多用户MIMO系统，本专利技术利用统计信道信息设计满足功率和电磁辐射约束的谱效能效联合优化问题，与传统的回退算法相比能够显著提高系统的资源效率，降低实现复杂度。技术方案：电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，在多用户MIMO上行传输系统中，多个用户同时发送信号到达基站，利用统计信道状态信息，通过预编码优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，使其在满足功率约束和电磁辐射约束的前提下，最大化谱效和能效的加权和；所述电磁辐射的度量采用电磁波吸收比值SAR，谱效定义为系统可达遍历和速率，能效定义为系统带宽与系统可达遍历和速率的乘积，再与系统总功率消耗的比值；定义资源效率(RE)为系统谱效和能效的加权和。进一步的，所述通过预编码优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，是通过利用确定性等同原理、二次变换、变量松弛和迭代注水算法，在用户端通过迭代求解一系列凸优化子问题来优化发送信号的协方差矩阵，具体包括以下步骤：步骤1，基于确定性等同原理的迭代算法；根据大维随机矩阵理论，利用统计信道状态信息的能量耦合矩阵计算系统可达遍历和速率的确定性等同值，进而渐近逼近系统资源效率的确定性等同值；步骤2，基于二次变换的算法；目标函数为系统谱效和能效的加权和，其中谱效是关于各用户发送协方差矩阵的凹函数，能效是关于各用户发送协方差矩阵的伪凹函数，整体的目标函数是一个和分式规划问题。根据二次变换原理，通过引入辅助变量将和分式规划问题转化为一系列凸优化子问题迭代求解，并通过各凸优化子问题求解得到的发送协方差矩阵更新该辅助变量，直至迭代过程收敛。步骤3，基于变量松弛与迭代注水算法；引入新的辅助变量将二次变换后子问题存在的根式去除，并通过研究拉格朗日强对偶问题，得到发送协方差矩阵的注水解，利用迭代注水算法求得一系列凸优化子问题的最优解。进一步的，所述系统可达遍历和速率表示为：其中，E{·}表示期望运算，log表示对数运算，det表示取矩阵的行列式运算，M表示基站天线数，IM表示M×M的单位矩阵，σ2表示噪声方差，为第k个用户到基站的信道矩阵，其中K为小区中的用户数，Nk表示第k个用户端的天线数，表示第k个用户到基站的统计特征模式域信道矩阵，Uk和Vk是确定性酉矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，表示M×Nk的复数域矩阵，为各用户发送协方差矩阵的集合，其中diag{·}表示取集合元素组成对角阵，Qk为第k个用户的发送协方差矩阵；系统的能效表示为：其中，W为系统的带宽，ξk为第k个用户处功率放大器的放大系数，tr{·}表示取矩阵迹的运算，Pc,k为第k个用户处的静态电路功耗，PBS为基站的静态硬件耗散功率。信道的统计信道状态信息表示为其中运算符⊙表示矩阵的Hadamard乘积，(·)*表示矩阵的共轭运算，表示M×Nk的实数域矩阵。进一步的，在功率约束和电磁辐射约束下的资源效率最大化问题可以表示为：其中，Pmax,k为第k个用户的发送功率约束，Rk,i为第k个用户的第i个SAR矩阵，Qk,i为第k个用户的第i个SAR约束，为第k个用户的SAR约束集合，其中Gk为第k个用户处的SAR约束个数。进一上步的，所述步骤1中依据大维随机矩阵理论，通过用户的波束域统计信道状态信息，迭代计算目标函数中资源效率的确定性等同辅助变量直至收敛，具体包含如下步骤：步骤1.1，通过用户的波束域统计信道状态信息，迭代计算联合优化目标函数的确定性等同辅助变量参数：其中，向量中的各个元素由下式确定：其中uk,m是Uk的第m列，vk,n是Vk的第n列，表示Nk×Nk的单位矩阵；步骤1.2，利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算系统可达遍历和速率的确定性等同表达如下：步骤1.3将系统谱效的确定性等同表达代入资源效率最大化的功率分配优化问题中，降低运算的复杂度，系统资源效率写为：其中为系统总功率消耗；进一步的，所述步骤2中利用二次变换引入辅助变量转化为一系列凸优化子问题：其中，l表示迭代次数，η(l)是引入的辅助变量，由第l次的迭代结果Q(l)计算：迭代过程在相邻两次迭代所得辅助变量之差小于给定阈值时终止。进一步的，所述步骤3中引入新的辅助变量将二次变换后子问题存在的根式去除，并通过研究拉格朗日强对偶问题，得到发送协方差矩阵的注水解，利用迭代注水算法求得一系列凸优化子问题的最优解，具体包括以下步骤：步骤3.1，引入辅助变量t，将原问题表示为不含根式的等效问题：本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，其特征在于：在多用户MIMO上行传输系统中，多个用户同时发送信号到达基站，利用统计信道状态信息，通过预编码优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，使其在满足功率约束和电磁辐射约束的前提下，最大化谱效和能效的加权和；/n所述电磁辐射的度量采用电磁波吸收比值SAR，谱效定义为系统可达遍历和速率，能效定义为系统带宽与系统可达遍历和速率的乘积，再与系统总功率消耗的比值；定义资源效率(RE)为系统谱效和能效的加权和。/n

【技术特征摘要】
1.电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，其特征在于：在多用户MIMO上行传输系统中，多个用户同时发送信号到达基站，利用统计信道状态信息，通过预编码优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，使其在满足功率约束和电磁辐射约束的前提下，最大化谱效和能效的加权和；
所述电磁辐射的度量采用电磁波吸收比值SAR，谱效定义为系统可达遍历和速率，能效定义为系统带宽与系统可达遍历和速率的乘积，再与系统总功率消耗的比值；定义资源效率(RE)为系统谱效和能效的加权和。


2.根据权利要求1所述的电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，其特征在于：所述通过预编码优化设计各用户发送信号的协方差矩阵，包括以下步骤：
步骤1，根据大维随机矩阵理论，利用统计信道状态信息的能量耦合矩阵计算系统可达遍历和速率的确定性等同值，进而渐近逼近系统资源效率的确定性等同值；
步骤2，目标函数为系统谱效和能效的加权和，其中谱效是关于各用户发送协方差矩阵的凹函数，能效是关于各用户发送协方差矩阵的伪凹函数，整体的目标函数是一个和分式规划问题。根据二次变换原理，通过引入辅助变量将和分式规划问题转化为一系列凸优化子问题迭代求解，并通过各凸优化子问题求解得到的发送协方差矩阵更新该辅助变量，直至迭代过程收敛。
步骤3，引入新的辅助变量将二次变换后子问题存在的根式去除，并通过研究拉格朗日强对偶问题，得到发送协方差矩阵的注水解，利用迭代注水算法求得一系列凸优化子问题的最优解。


3.根据权利要求1所述的电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，其特征在于：所述系统可达遍历和速率表示为：



其中，E{·}表示期望运算，log表示对数运算，det表示取矩阵的行列式运算，M表示基站天线数，IM表示M×M的单位矩阵，σ2表示噪声方差，为第k个用户到基站的信道矩阵，其中K为小区中的用户数，Nk表示第k个用户端的天线数，表示第k个用户到基站的统计特征模式域信道矩阵，Uk和Vk是确定性酉矩阵，(·)H表示矩阵的共轭转置，表示M×Nk的复数域矩阵，为各用户发送协方差矩阵的集合，其中diag{·}表示取集合元素组成对角阵，Qk为第k个用户的发送协方差矩阵；
系统的能效表示为：



其中，W为系统的带宽，ξk为第k个用户处功率放大器的放大系数，tr{·}表示取矩阵迹的运算，Pc,k为第k个用户处的静态电路功耗，PBS为基站的静态硬件耗散功率。
信道的统计信道状态信息表示为其中运算符⊙表示矩阵的Hadamard乘积，(·)*表示矩阵的共轭运算，表示M×Nk的实数域矩阵。


4.根据权利要求3所述的电磁辐射约束的多用户MIMO上行谱效能效联合优化方法，其特征在于：在功率约束和电磁辐射约束下的资源效率最大化问题可以表示为：









其中，Pmax,k为第k个用户...

【专利技术属性】
技术研发人员：尤力，姜涵予，任德荣，徐洁，王闻今，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32