[发明专利]SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法

权利要求书

1.SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法，其特征在于：包括以下步骤：

在多用户MIMO上行传输中，多个用户同时发送信号到达基站，利用统计信道状态信息，以能效最大化为准则设计各用户的发送信号协方差矩阵；所述能效为系统带宽与系统和速率的乘积，再与系统总功率消耗的比值；其中能效最大化问题的目标为在满足各用户发送功率约束和SAR约束的前提下，最大化系统的能效，通过确定性等同原理、Dinkelbach变换和迭代注水算法优化各用户的发送信号协方差矩阵；

随着通信过程中各用户和基站之间的统计信道状态信息发生变化，用户端动态实施满足SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行链路传输方法；

所述通过确定性等同原理、Dinkelbach变换和迭代注水算法优化各用户的发送信号协方差矩阵，包括以下步骤：

(1)根据大维随机矩阵理论，利用统计信道状态信息计算系统和速率的确定性等同值，进而计算系统能效的确定性等同值，以降低问题求解的复杂度；

(2)能效最大化的优化问题是一个分式规划问题，目标函数是一个分式，其中分子为关于各用户发送协方差矩阵的凹函数，分母为关于各用户发送信号协方差矩阵的线性函数，根据Dinkelbach变换，通过引入辅助变量将原分式规划问题转化为一系列凸优化子问题迭代求解；每次迭代过程中，利用迭代注水算法求解凸优化子问题，得到各用户的发送信号协方差矩阵，以此对辅助变量进行更新；迭代过程在相邻两次迭代结果之差小于某个给定阈值时终止；

所述系统和速率表示为：

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，I_M表示M×M的单位矩阵，M为基站天线数，σ²表示噪声方差，为第k个用户到基站的信道矩阵，为第k个用户到基站的统计特征模式域信道矩阵，U_k和V_k是确定性酉矩阵，(.)^H表示矩阵的共轭转置运算，表示M×N_k的复数域矩阵，K为小区中用户数，N_k为第k个用户的天线数，为各用户发送协方差矩阵的集合，Q_k为第k个用户的发送协方差矩阵；

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×N_k的实数域矩阵；

SAR约束的能效最大化准则下的优化问题表示为：

其中，W为系统的带宽，ξ_k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，P_c,k为第k个用户处的静态电路功耗，P_BS为基站的静态硬件耗散功率，P_max,k为第k个用户的发送功率约束，R_k,i为第k个用户的第i个SAR矩阵，Q_k,i为第k个用户的第i个SAR约束，为用户的集合，为第k个用户的SAR约束集合，其中G_k为第k个用户处的SAR约束个数。

2.根据权利要求1所述的SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法，其特征在于：所述步骤(1)中根据大维随机矩阵理论，利用统计信道状态信息计算系统和速率的确定性等同值，进而计算系统能效的确定性等同值的具体步骤包括：

(11)依据大维随机矩阵理论，通过用户到基站信道的统计信道状态信息迭代计算系统和速率的确定性等同辅助变量直至收敛，第k个用户的确定性等同辅助变量为：

其中，diag{.}表示对角矩阵，辅助变量和由下式确定：

其中u_k,m是U_k的第m列，v_k,n是V_k的第n列，表示N_k×N_k的单位矩阵；

(12)利用迭代得到的确定性等同辅助变量计算系统和速率的确定性等同表达如下：

(13)系统能效的确定性等同值为：

其中为系统总功率消耗；将系统能效的确定性等同表达代入能效最大化的功率分配优化问题中，降低运算的复杂度。