[发明专利]非对称双向中继系统中的能量效率优化方法

摘要

本发明公开了一种非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，主要解决现有最佳功率分配方法能量效率低的问题。其技术方案包括：获取非对称双向中继系统中两个用户设备的和速率；提出以能量效率最大化为目标的初始优化问题；根据两个用户设备的速率，将初始优化问题重写为二次优化问题；再将二次优化问题转化为内层优化问题和外层优化问题，并获得该内、外层优化问题的最优解；最后，根据内、外层优化问题的最优解得到两个用户设备和中继的最佳功率分配。本发明完善了现有电路消耗功率模型，且能量效率优化方法计算复杂度低，实现简单，可用于非对称双向中继系统的数据传输。

主权项

1.非对称双向中继系统中的能量效率优化方法，包括：(1)获取非对称双向中继系统中两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)：(1a)分别计算第一用户设备A的速率RA(P)和第二用户设备B的速率RB(P)：(1b)计算第一用户设备A与第二用户设备B的和速率：Rtot(P)＝RA(P)+RB(P)，其中，P＝[PA,PB,PR]为发送功率向量，PA、PB和PR分别表示用户设备A、B和中继R的发送功率；(2)计算非对称双向中继系统的能量效率ηEE(P)，并提出以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：(2a)根据两个用户设备A、B的和速率Rtot(P)，计算系统的能量效率ηEE(P)＝Rtot(P)/Ptot(P)；其中P_tot(P)＝(P_A+P_B+P_R)/ε+P_c为系统的总功率，为系统中电路消耗功率，r＝[R_A,R_B]为两个用户设备A、B的速率向量，为静态的电路消耗功率，为动态的电路消耗功率，ε∈(0,1]为功率放大效率；(2b)根据系统的能量效率ηEE(P)，构建以能量效率最大化为目标的初始优化问题P1：(P1)其中Rth,i表示用户设备i在单位带宽下的最低传输速率，PT为两个用户设备A、B和中继R的总发送功率阈值；(3)根据两个用户设备A、B的速率RA(P)和RB(P)，将初始优化问题P1重写为二次优化问题P2：(P2)其中表示用户设备B的发送功率，P_R(r,P_A)表示中继R的发送功率，g_i＝|h_i|²，h_A表示第一用户设备A到中继R的信道增益，h_B表示第二用户设备B到中继R的信道增益，表示两个用户设备A、B和中继R的总发送功率；(4)将二次优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：确定二次优化问题P2的自变量优化顺序，即首先优化第一用户设备A的发送功率PA，再优化速率向量r，则获得将第二优化问题P2转化为内层优化问题P3_Inner和外层优化问题P3_Outter：(P3_Inner)(P3_Outter)其中，分别为第一用户设备A、第二用户设备B和中继R以速率向量r为自变量的最优发送功率，为以速率向量r为自变量的最优总发送功率；(5)获得内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值(5a)根据内层优化问题P3_Inner为凸规划的特性，通过使用Karush‑Kuhn‑Tucker条件，获得第一用户设备A的发送功率最优解(5b)将分别带入步骤(3)的式P_R(r,P_A)、P_B(r,P_A)中，获得中继R、第二用户设备B在内层优化问题P3_Inner下的发送功率最优解(5c)根据(5a)和(5b)结果计算内层优化问题P3_Inner的最佳目标函数值(6)获得外层优化问题P3_Outter中系统的最佳速率r*：(6a)根据外层优化问题P3_Outter为非线性分式规划的特性，通过使用非线性分式规划定理，将外层优化问题P3_Outter转化为三次优化问题P4：(P4)其中q为任意非负参数；(6b)对于任意给定的非负参数q，通过凸优化方法，获得三次优化问题P4的最优速率向量和最优目标函数值F^*(q)＝min{F(r,q)|r∈Ξ}，其中Ξ表示三次优化问题P4的速率约束区域；(6c)令F*(q)＝0，得到F*(q)的零点值q*＝{q|F*(q)＝0}，q*即为系统的最佳能量效率值；(6d)将系统的最佳能量效率值q*带入最优速率向量r*(q)中，获得系统的最佳速率r*＝r*(q*)；(7)将系统的最佳速率r^*分别带入步骤(5)的式和中，分别得到系统中两个用户设备A、B和中继R的最佳功率分配值和