[發明專利]基于能效最優的成對用戶大規模天線中繼系統及其資源分配方法

在審

• 申請號: 201810025784.1
• 申請日: 2018-01-11
• 公開（公告）號: CN108235425A
• 公開（公告）日: 2018-06-29
• 發明（設計）人: 王毅;馬鵬閣;張松煒;楊少川;王丹;劉兆瑜;郭榮幸;張宏亮;趙飛;閆利超;劉亞;黃開枝;許曉明;王兵;陶然
• 申請（專利權）人: 鄭州航空工業管理學院
• 主分類號: H04W52/46
• 分類號: H04W52/46;H04B7/155;H04B7/0426;H04B7/0456
• 代理公司: 北京理工正陽知識產權代理事務所(普通合伙) 11639
• 代理人: 王民盛

1.一種基于能效最優的成對用戶大規模天線中繼系統資源分配方法，所述中繼系統包括K個信源節點、K個信宿節點和一個中繼節點，所述信源節點與信宿節點一一對應，組成通信對，所述中繼節點采用迫零準則對信源節點的信號進行放大轉發，在兩個時隙內完成信息傳遞；所述中繼系統采用時分雙工制式，采用了一定的用戶調度策略，將具有相同大尺度衰落的信源節點或信宿節點放在一個時頻資源塊中，且信道服從平坦塊衰落，其特征在于，所述方法包括步驟：

S1.建立以最大化系統總能效為目標，以信源節點發射功率、中繼節點發射功率和中繼節點天線數三個系統資源參量為優化變量的數學模型；

S2.利用Jensen不等式和逆Wishart矩陣的各階距特性，求用戶頻譜效率的下界解析表達式；并基于所述中繼節點部署的大規模天線數遠大于用戶數對所述的下界解析表達式近似化簡，將所述近似化簡的下界解析表達式，以及將信源節點與中繼節點最優發射功率數學關系式代入原始優化問題的目標函數；

S3.用交替迭代算法，求中繼節點最優發射功率和中繼節點最優天線數；以及

S4.中繼節點將信源節點最優發射功率值反饋通知所有信源節點，并將中繼節點發射功率和中繼節點天線數調至S3所得的最佳值。

2.如權利要求1所述的成對用戶大規模天線中繼系統資源分配方法，其特征在于，所述步驟S1包括步驟：

1).中繼節點通過信道估計獲得它到所有信源節點和信宿節點間的理想信道狀態信息，即信道矩陣和其中，h_k表示第k個信源節點到中繼節點的信道向量且服從復高斯分布表示信源節點到中繼節點的大尺度衰落因子，表示中繼節點到第k個信宿節點的信道向量且服從復高斯分布表示中繼節點到信宿節點的大尺度衰落因子；

2).在第一時隙內，K個信源節點同時向中繼節點發送信息符號，則在中繼節點處的接收信號向量r可以表示為如下形式，

其中，s＝[s₁,s₂,...,s_K]^T，s_k(k＝1,2,...,K)表示第k個信源節點的發射符號且n_r表示第一時隙在中繼節點處的加性白噪聲且滿足復高斯分布ρ_s表示每個信源節點的平均發射功率變量；

3).在第二時隙內，中繼節點采用迫零接收和迫零預編碼對接收到的信號r進行放大轉發，其處理矩陣為所形成的轉發信號向量y_t如下所示，

y_t＝Dy_r

其中，ψ為功率歸一化因子用以滿足中繼節點處的平均總發射功率約束ρ_r，即，

則，然后，中繼節點將信號y_t轉發至所有信宿節點，則第k個信宿節點接收到的信號可以表示為如下形式，

其中，n_k表示第k個信宿節點處的加性白噪聲且滿足復高斯分布

4).基于步驟3)中信宿節點的接收信號表達式，可以得第k個信宿節點的接收信干噪比表達式如下所示，

從而可以得到第k個信宿節點的平均頻譜效率：

其中，表示將占用的兩個時隙資源考慮在內所產生的頻譜效率損失；

5).基于步驟4)中平均頻譜效率表達式，在中繼節點處建立以最大化系統總能效函數η(ρ_s,ρ_r)為目標，以信源節點發射功率ρ_s和中繼節點發射功率ρ_r為變量的數學優化模型，如下所示，

其中，EE(p,N)表示能效函數，S(p,N)表示系統的總頻譜效率，P_tot(p,N)表示系統的總功率消耗，μ_s≥1表示每個信源節點發射機功放器件的效率損耗常量因子，μ_r≥1表示中繼節點發射機功放器件的效率損耗常量因子，P_s表示每個信源節點發射機的常量固定功率消耗，P_r表示中繼節點收發機每根天線上的常量固定功率消耗；

所述步驟S2包括步驟：

6).根據Jensen不等式可以得到步驟4)中平均頻譜效率S_k的下界，如下所示，

7).利用復逆Wishart矩陣的各階矩性質，直接計算得到步驟6)中的解析表達式如下所示，

其中，

8).考慮到中繼節點部署的大規模天線數通常遠大于用戶數，即N＞＞K＞1，并利用高信噪比條件，即γ_s＞＞1和γ_r＞＞1，將步驟7)中得到的解析表達式近似化簡為如下形式，

9).基于步驟8)中的解析表達式將步驟5)中優化問題的目標函數進行近似替換，并代替步驟5)中優化問題的目標函數，轉化為如下形式的優化問題，

10).步驟9)中目標函數EE(p,N)在給定天線數變量N的條件下，關于功率向量是嚴格擬凹的，并且存在唯一的最優發射功率組合滿足能效最大化，且信源節點最優發射功率與中繼節點最優發射功率所滿足的關系式如下所示，

步驟9)中目標函數EE(p,N)在給定功率變量的條件下，關于中繼天線數是是嚴格擬凹的，且是先增后減的；

11).將步驟10)中最優發射功率關系式代入步驟9)中的目標函數，可簡化為兩變量優化問題，如下所示，

其中，

所述步驟S3包括步驟：

12).根據分式規劃性質，將步驟11)中的優化問題等價的轉換為帶參數η的減法形式問題，如下所示，

其中，η表示能效參量，求解中繼最優發射功率與天線數參量以及最優能效值η^＊；

上述步驟中的符號及部分變量的含義如下：(·)^H表示矩陣的共軛轉置運算，ε{·}表示針對隨機量(向量)的數學期望運算，tr{·}表示矩陣的跡，表示均值為μ方差為σ²的循環對稱復高斯隨機分布，||·||表示向量2范數運算，|·|表示實數絕對值運算或復數求模值運算，N是中繼節點天線數。