[发明专利]基于能效最优的单用户大规模天线中继系统功率分配方法

摘要

本发明公开了一种基于能效最优的单用户大规模天线中继系统功率分配方法。该通信系统由一个单天线信源节点，一个单天线信宿节点和一个配置大规模数量天线阵列的中继节点收发信机所组成，如摘要附图所示。本发明方法以系统能效最大化为设计目标，以满足指定的系统服务质量QoS为约束条件，建立了以信源节点和中继节点发射功率为设计变量的数学优化模型。由于该优化问题中目标函数无精确解析表达式，借助于大维随机矩阵理论中的大数定律，先求得目标函数的一种精确近似解析表达式。再通过大信噪比区间近似等效，将非凸目标函数转化为凸函数形式。利用拉格朗日对偶函数凸优化算法，并借助于Lambert W函数，最终得到一种功率分配方案的闭合形式解，避免了采用交替迭代方法来求解最优化问题。

主权项

1.基于能效最优的单用户大规模天线中继系统功率分配方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：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，即信道向量和且h和g都服从复高斯分布CN(0,I_N)；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；2).在第一时隙内，信源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信源节点的发射符号且E{|s|²}＝1，表示第一时隙在中继节点处的单位功率加性白噪声且满足复高斯分布CN(0,I_N)，ρ_s表示信源节点的平均发射功率变量；3).在第二时隙开始前，中继节点采用最大比合并和最大比发送预编码矩阵对接收到的信号r进行放大，形成转发信号向量t如下所示，其中，ξ为功率归一化因子用以满足中继节点处转发信号的平均总发射功率约束ρr，即，则，然后，中继节点将信号t通过第二跳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，nd表示信宿节点处的单位功率加性白噪声，且满足复高斯分布CN(0,1)；4).基于步骤3)中信宿节点的接收信号表达式，可以得信宿节点处的接收信干燥比SINR表达式如下所示，从而可以得到信宿节点的平均频谱效率如下式所示，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，以系统最小频谱效率为约束，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，s.t.R≥R0其中，P表示系统的总功率消耗，βs≥1表示信源节点发射机功放器件的效率损耗常量因子，βr≥1表示中继节点发射机功放器件的效率损耗常量因子，Ps0表示信源节点发射机的固定电路功率消耗，Pr0表示中继节点收发机的固定电路功率消耗，Pr0＝NPr1，且Pr1中继节点处每根天线上的固定电路功耗，R0表示系统的频谱效率最低要求；6).利用大数定律求解步骤4)中平均频谱效率的近似闭合表达式，如下所示，7).将步骤6)中的平均频谱效率近似表达式代替R代入步骤5)中的目标函数和约束条件，转化为如下形式的优化问题，8).利用高信噪比条件，即和将步骤7)中非凸目标函数的分子以及约束条件中的常数项舍去，转化为如下形式，进而将该最大化问题变换成等价的最小化问题，如下所示，9).利用拉格朗日对偶优化方法，获得步骤8)中最小化问题的拉格朗日对偶函数L(λ,ρs,ρr)，如下所示，其中，λ≥0表示拉格朗日乘子；10).当λ＞0时，解得最优的信源节点发射功率和中继节点发射功率闭合形式解，如下所示，11).当λ＝0时，解得最优的信源节点发射功率和中继节点发射功率闭合形式解，如下所示，其中，W(·)表示LambertW函数，其定义为：关于变量x的方程如z＝xex，则关于x的解可以表示为LambertW函数，即x＝W(z)；12).判断步骤11)中所得到的最优解，是否满足步骤8)中的约束条件，若不满足，则舍去，直接将步骤10)中获得的最优解作为功率分配方案；若满足约束，则将其代入目标函数计算出能效值，并与步骤10)中获得的最优解所得到的能效值进行比较，取较大能效值对应的功率组合作为最优功率分配方案；其中：(·)H—表示矩阵的共轭转置运算，E{·}—针对随机量的数学期望运算，Tr{·}—矩阵的迹，CN(μ,σ2)—表示均值为μ方差为σ2的复高斯随机分布，||·||—表示向量2范数运算，|·|—表示实数绝对值运算或复数求模值运算，N—中继节点天线数。