[发明专利]一种低复杂度的多用户信能同传系统能效优化方法

摘要

本发明公开了一种低复杂度的多用户信能同传系统能效优化方法，包括以下步骤首先求出每个用户在满足服务质量QoS下的最小传输功率，然后根据最小传输功率值计算总功率分配比例得到每个用户独立的功率约束值，并将用户独立功率约束的信能同传系统能效最大化问题分解为一系列存在闭式解的子问题；再根据Dinkelbach方法，迭代求解这些子问题直至得到最大能效值；最后基站得到最大能效所对应的预编码向量并通过控制信道将接收功率分裂因子发送给用户，从而实现信能同传系统的设计。本发明通过巧妙构思引入用户独立功率约束从而将一个总功率约束的复杂问题分解为存在闭式解的独立子问题，从而降低系统的计算复杂度。

主权项

一种低复杂度的多用户信能同传系统能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)初始化如下变量：总功率约束值Ptotal，采集功率约束值ek，信干噪比约束值γk，采集电路单元的能量转化效率ζk，k＝1,2,...,K，K为总的用户数；(2)求解MU‑MISO无线信能同传系统下所有用户在满足服务质量QoS时所需最小的传输功率，具体为：第k个用户根据方程计算其在满足服务质量QoS时的功率分裂因子ρk，即可求得最小的传输功率其中hk为信道估计得到的基站到用户k的信道向量，表示基站到用户k的最优迫零预编码方向向量，为天线引入的加性噪声方差；同理，其余用户均求得pi,min，i＝1,2,...,k‑1,k+1,...,K；从而得到所有用户独立的功率约束目标Pk，即其中：为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起的加性噪声方差；然后根据Dinkelbach思想，将MU‑MISO无线信能同传系统下的能效最大化问题变为减式问题，并分解为独立子问题，第k个独立子问题如下：maxpk,ρkRk(pk,ρk)-η(θpk+PCK-Ek(pk,ρk))]]>s.t.ρkpkgkρkσk2+δk2≥γk,]]>ζk(1-ρk)(pkgk+σk2)≥ek,]]>pk≤Pk,0≤ρk≤1.其中：Rk(pk,ρk)为用户k的信道容量，Ek(pk,ρk)为用户k的采集功率，pk为用户k的发射功率，PC为系统固定总消耗功率，η表示能效值，表示功率放大器效率；(3)初始化迭代次数n＝0、可行解并根据能效函数计算出对应的能效值η(n)，其中分别表示用户在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子，所述能效函数为系统和速率(总的信道容量)与系统总功率消耗之比，即:η(n)=Σk=1KRk(pk(n),ρk(n))Σk=1Kθpk(n)+PC-Σk=1KEk(pk(n),ρk(n));]]>(4)更新迭代次数n＝n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一元多次方程，即：方程一：其中：方程二：其中：方程三：其中：C3=(6gkζk2σk2-3gkekζk-3gkζk2δk2-ek2ηθ+ekθζkδk2η)σk2,]]>D3=ekgkζk(2σk2-δk2)+gkζk2σk2(3δk2-2σk2)+ek(θζkδk4η-ekηθδk2-θζkδk2ησk2),]]>E3=(gkek-gkζkσk2-ekθδk2η)ζkδk2;]]>方程四：其中：B4=(δk2ζkη+1)gk4ζk2η2σk2-(δk2θζkη2+θη)gk3σk2ζkη,]]>C4=(ζkδk2η-2σk2ζkη-1)ζk2gk4η2δk2+(4σk2θζkη2+ηθ-ζkη2θδk2-ζkηθδk2)gk3δk2ζkη-2η2θ2gk2σk2ζkηδk2,]]>D4=(σk2ζkη-2δk2ζkη+1)ζk2gk4η2δk2+(4δk2θζkη2-3σk2θζkη2-3σk2θζkη-2ηθ)gk3δk2ζkη+(3σk2ζkη3θ2-2ζkδk2η3θ2+η2θ2)gk2δk2-η3θ3gkσk2δk2,]]>E4=-gk4ζk3η3δk4-3ηθgk3ζk2η2δk4+3η2θ2gk2ζkηδk4-gkδk4η3θ3;]]>求出对应闭式解集合{pk,ρk}，找出满足可行域0≤ρk≤1和max(l1(ρk),l2(ρk))≤pk≤Pk并且使得目标函数取得最大值时对应的即为用户k所求的解，同理，按照此方式余下用户都找到对应解并计算能效值η(n)；(5)判断是否满足其中ε为判定阈值，如果满足则输出即为K个子问题的最优解，即最优发射功率和功率分裂因子否则执行步骤(3)；(6)计算传输预编码向量基站利用vk对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子发送到相应的用户，从而每个用户设定功率分裂因子，实现信息与能量的同时接收，即完成信能同传系统的收发机设计。