基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统及其资源分配方法与流程

技术特征：

1.一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法，所述中继系统包括K个信源节点、K个信宿节点和一个中继节点，所述信源节点与信宿节点一一对应，组成通信对，所述中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发，在两个时隙内完成信息传递；所述中继系统采用时分双工制式，采用了一定的用户调度策略，将具有相同大尺度衰落的信源节点或信宿节点放在一个时频资源块中，且信道服从平坦块衰落，其特征在于，所述方法包括步骤：

S1.建立以最大化系统总能效为目标，以信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数三个系统资源参量为优化变量的数学模型；

S2.利用Jensen不等式和逆Wishart矩阵的各阶距特性，求用户频谱效率的下界解析表达式；并基于所述中继节点部署的大规模天线数远大于用户数对所述的下界解析表达式近似化简，将所述近似化简的下界解析表达式，以及将信源节点与中继节点最优发射功率数学关系式代入原始优化问题的目标函数；

S3.用交替迭代算法，求中继节点最优发射功率和中继节点最优天线数；以及

S4.中继节点将信源节点最优发射功率值反馈通知所有信源节点，并将中继节点发射功率和中继节点天线数调至S3所得的最佳值。

2.如权利要求1所述的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法，其特征在于，所述步骤S1包括步骤：

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，即信道矩阵和其中，hk表示第k个信源节点到中继节点的信道向量且服从复高斯分布表示信源节点到中继节点的大尺度衰落因子，表示中继节点到第k个信宿节点的信道向量且服从复高斯分布表示中继节点到信宿节点的大尺度衰落因子；

2).在第一时隙内，K个信源节点同时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＝[s1,s2,...,sK]^T，sk(k＝1,2,...,K)表示第k个信源节点的发射符号且nr表示第一时隙在中继节点处的加性白噪声且满足复高斯分布ρs表示每个信源节点的平均发射功率变量；

3).在第二时隙内，中继节点采用迫零接收和迫零预编码对接收到的信号r进行放大转发，其处理矩阵为所形成的转发信号向量yt如下所示，

yt＝Dyr

其中，ψ为功率归一化因子用以满足中继节点处的平均总发射功率约束ρr，即，

则，然后，中继节点将信号yt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，nk表示第k个信宿节点处的加性白噪声且满足复高斯分布

4).基于步骤3)中信宿节点的接收信号表达式，可以得第k个信宿节点的接收信干噪比表达式如下所示，

从而可以得到第k个信宿节点的平均频谱效率：

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，

其中，EE(p,N)表示能效函数，S(p,N)表示系统的总频谱效率，Ptot(p,N)表示系统的总功率消耗，μs≥1表示每个信源节点发射机功放器件的效率损耗常量因子，μr≥1表示中继节点发射机功放器件的效率损耗常量因子，Ps表示每个信源节点发射机的常量固定功率消耗，Pr表示中继节点收发机每根天线上的常量固定功率消耗；

所述步骤S2包括步骤：

6).根据Jensen不等式可以得到步骤4)中平均频谱效率Sk的下界，如下所示，

7).利用复逆Wishart矩阵的各阶矩性质，直接计算得到步骤6)中的解析表达式如下所示，

其中，

8).考虑到中继节点部署的大规模天线数通常远大于用户数，即N＞＞K＞1，并利用高信噪比条件，即γs＞＞1和γr＞＞1，将步骤7)中得到的解析表达式近似化简为如下形式，

9).基于步骤8)中的解析表达式将步骤5)中优化问题的目标函数进行近似替换，并代替步骤5)中优化问题的目标函数，转化为如下形式的优化问题，

10).步骤9)中目标函数EE(p,N)在给定天线数变量N的条件下，关于功率向量是严格拟凹的，并且存在唯一的最优发射功率组合满足能效最大化，且信源节点最优发射功率与中继节点最优发射功率所满足的关系式如下所示，

步骤9)中目标函数EE(p,N)在给定功率变量的条件下，关于中继天线数是是严格拟凹的，且是先增后减的；

11).将步骤10)中最优发射功率关系式代入步骤9)中的目标函数，可简化为两变量优化问题，如下所示，

其中，

所述步骤S3包括步骤：

12).根据分式规划性质，将步骤11)中的优化问题等价的转换为带参数η的减法形式问题，如下所示，

其中，η表示能效参量，求解中继最优发射功率与天线数参量以及最优能效值η^＊；

上述步骤中的符号及部分变量的含义如下：(·)^H表示矩阵的共轭转置运算，ε{·}表示针对随机量(向量)的数学期望运算，tr{·}表示矩阵的迹，表示均值为μ方差为σ²的循环对称复高斯随机分布，||·||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是中继节点天线数。

3.如权利要求2所述的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法，其特征在于，所述步骤12)中利用Dinkelbach方法进行交替迭代的方法求解中继最优发射功率与天线数参量以及最优能效值η^＊时。

4.如权利要求2或3所述的成对用户大规模天线中继系统资源分配方法，其特征在于，所述步骤12)中，包括步骤：

12.1).设定迭代终止ε，迭代次数变量m＝0，给定能效参量初始值η⁽⁰⁾≥0；

12.2).利用η^(m)，求解关于中继发射功率和中继天线数的最优化问题，如下所示，

12.3).当(N-K)ρr≥(1+ξ)K/ν时，步骤12.2)中目标函数是凸的。利用该目标函数的部分凸性，令其对ρr和N分别求一阶偏导并使其为0，可以得到中继节点最优发射功率和中继节点最优天线数的闭合形式解，如下所示，

其中，

12.4).更新能效参量和迭代次数变量m＝m+1；

12.5).判断时，终止迭代运算，输出最优资源变量组合以及最优能效值η^opt＝η^(m)；若不满足终止条件，返回步骤12.2)重新进行迭代；

12.6).步骤12.5)中的最优天线数通常为小数，取与N^opt最近的两个整数值，计算其对应的能效值，取能效值较大的天线数值即为最优天线数值。

5.一种基于能效最优的成对用户大规模天线中继系统，包括K个信源节点、K个信宿节点和一个中继节点，所述信源节点与信宿节点一一对应，组成通信对，所述中继节点采用迫零准则对信源节点的信号进行放大转发，在两个时隙内完成信息传递；所述中继系统采用时分双工制式，采用了一定的用户调度策略，将具有相同大尺度衰落的信源节点或信宿节点放在一个时频资源块中，且信道服从平坦块衰落，其特征在于，所述中继系统采用如权利要求1～4所述的资源分配方法配置信源节点发射功率、中继节点的发射功率和中继节点的天线数量。