[发明专利]SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法

说明书

本发明公开了一种SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法。该方法中，以系统能效最大化为目标，利用统计信道状态信息设计多用户MIMO上行传输中各用户的发送信号协方差矩阵，同时满足最大发送功率的约束和电磁波吸收比值SAR的约束。其中，能效最大化的算法设计主要利用确定性等同原理、Dinkelbach变换和迭代注水算法获得最优的发送信号协方差矩阵。当信道状态信息变化时，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。本发明方法能够在满足SAR约束的前提下，有效提高多用户MIMO上行链路传输的能效值，并且能显著降低无线传输实现复杂度。

技术领域

本发明属于通信领域，具体涉及一种利用统计信道状态信息的SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行链路传输方法。

背景技术

便携式和可穿戴设备在无线通信中应用广泛，但这些设备在运行时会产生电磁(EM)信号，发出EM辐射，并在使用过程中对附近的用户造成潜在的健康威胁。因此，所有无线设备必须遵守EM暴露限制的规定。比吸收率(SAR)是被普遍接受的用户EM暴露测量指标。SAR以W/kg为单位，测量单位质量人体组织吸收的能量。通常，部分身体暴露的SAR的最大耐受量限制在1.6W/kg以下。

传统的无线通信传输优化问题常基于瞬时信道状态信息，但瞬时信道状态信息的获取较为困难，且在快速时变的信道中，瞬时信道状态信息容易过时。而统计信道状态信息能更容易，且精确的获取。

在本发明考虑的多用户MIMO上行链路传输过程中，各个用户端向基站发送信号。为了获得更高的系统能效，各用户需要对发送信号进行设计。通常能效问题的约束为发送功率约束，考虑EM辐射问题时需加入SAR约束。

发明内容

发明目的：针对多用户MIMO上行链路传输，本发明提供一种利用统计信道状态信息的SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行链路传输方法，能够有效提高系统能效值，降低实现复杂度。

技术方案：SAR约束的能效最大化多用户MIMO上行预编码方法，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。

进一步的，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。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1.在多用户MIMO上行链路传输中，考虑SAR约束，减少对用户的EM辐射，更符合实际应用场景。

2.本发明所提方法仅利用统计信道状态信息，各用户根据统计信道信息进行能效最大化的功率分配，降低了信道状态信息获取的复杂度和开销，提升了系统的传输鲁棒性。