基于高信噪比的能效最大化多天线中继系统功率分配方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于高信噪比的能效最大化多天线中继 系统功率分配方法。
【背景技术】
[0002] 近年来，多天线两跳中继无线通信系统受到了广泛关注，并取得较多的研究成果。 它结合了多天线（ΜΙΜΟ, Multiple-Input Multiple-Output)技术与中继辅助转发技术，使 得蜂窝系统在小区吞吐量、传输可靠性、系统频谱效率以及边缘覆盖率等方面取得了显著 提升，也使其成为无线通信领域中的研究热点之一。特别是多天线的引入，使得系统在不额 外增加时频资源的情况下，可以获得更多的复用增益与分集增益，有效提升系统性能。因 此，多天线中继无线通信系统也被业内普遍认为是未来异构无线通信网络中的重要组成部 分。
[0003] 然而，针对多天线中继系统的研究，大多数集中于系统频谱效率和误差性能两方 面指标。随着社会的发展与进步，人们对无线通信系统的设计和考察指标也日趋全面和多 样化，尤其是整个通信系统的功率消耗对人类生存、健康及环境所带来的问题越来越受到 关注。由此，行业内外将更多地目光投向了低碳高环保的绿色通信理念，提出了以追求高能 效为目标的新一代无线通信技术指标。众所周知，在中继通信系统中，中继节点的发射功率 分配问题不单影响系统总频谱效率，更直接影响到了整个系统的能效指标。同时，系统的总 功率消耗，不单包括发射机的实际发射功率，也包括有维持节点设备运转时的固定电路功 耗。在现有的中继系统功率分配方案中，大都以系统频谱效率为设计目标，在未考虑电路功 耗的条件下，以不断提升发射功率来获得最大的系统频谱效率。在这种情况下，就会使得系 统的能效性能指标大大降低非常低。
[0004] 为了使多天线中继系统满足未来绿色通信对系统能量效率（能效）的要求，在功 率分配方案上引入能效作为目标准则，并考虑系统频谱效率要求，也即在保证系统频谱效 率的同时，尽可能的提升系统能效性能。由于能效准则目标函数的复杂性，目前已有方案都 采用数值迭代算法进行求解，尚没有低复杂度功率分配方案求解方法，更没有最优功率分 配方案的闭合形式解。
[0005] 本发明一种基于能效最大化的多天线中继系统功率分配方法。该方法以最大化系 统能效为目标，以满足指定的最小频谱效率要求为约束条件，建立了以中继节点处多条数 据流上的发射功率为优化变量的数学模型。本方法通过利用拉格朗日对偶函数凸优化算法 以及高信噪比区间下的近似等效转换，将原始的非凸优化问题逐步转化为凸优化问题，最 终得到一种功率分配变量的闭合形式解。相比现有最优能效功率分配方案常采用的数值迭 代求解方法，本方法可以快速收敛到该数值最优解，并可在任意的信噪比区间达到近似的 全局最优解。
【发明内容】
[0006] 本发明为使多天线两跳中继系统获得较高的能效性能而提出一种基于高信噪比 的能效最大化多天线中继系统功率分配方法，并求得了功率分配变量的闭合形式解。
[0007] 本发明的一种基于能效最大化的多天线中继系统功率分配方法，包括以下步骤：
[0008] 1).信源节点通过信道估计获取信道系数矩阵H1，中继节点通过信道估计获取信 道系数矩阵&和H 2，信宿节点通过信道估计获取信道系数矩阵H2，信道系数矩阵所对应的 信道位置如图1所示。在三个节点处分别对各自获取的信道系数矩阵进行奇异值分解，即
为对角 阵，分别对应于氏和H 2的奇异值矩阵；
[0009] 2).信源节点对K条数据流所组成的信号向量X = [Xl，x2，…，χκ]τ采用预编码矩 阵
进行发射，即发射信号为Wx，如图1中信源节点发射机所示。信源节点发射的 信号经过信道氏到达中继节点的信号为y = H1W^n1，采用预编码矩阵
进行发 射，即中继转发信号为y二其中，P = diagh, p2，…，ρκ}表示中继节点对于K条数据流 上分配的功率所组成的对角阵，如图1中中继节点收发信机所示。最后，j；经过信道凡后， 在信宿节点接收到的信号为
。信宿节点对接收信号z进行解码操作，获得解码 后的数据流信号向量
如图1中信宿节点接收机所示。对解码向量^化简可以得到 得到
[0010] 3).在中继节点处，以最大化系统能效为准则，以指定的最小系统频谱效率为约 束，求解以中继节点处多条数据流上的发射功率为参量的功率分配优化问题，如下：
[0013] 4).将原最大化目标函数问题，等价变换为最小化目标函数问题，如下：
[0016] 5).利用拉格朗日对偶优化方法，获得4)中的优化问题的拉格朗日对偶函数 .,?(，，丨,/，:，.,,?)，如下：
[0018] 6). 对？力=1，2, ···，!(）取一阶偏导，并令其为零，得到表达式， 如下：
[0022] 8).利用高信噪比条件，SP
进而由7)中 的等式可以化简得到表达式，如下：
[0024] 9).将8)中的表达式代入6)中表达式，得到如下形式：
[0026] 10).利用高信噪比条件，即4 ?ofVzt，可以得到9)中等式右边近似等于常 数c,如下：
[0028] 11).将10)中常数c替代9)中等式右边，并化简求得P1的闭合形式最优解，如 下：
[0030] 12).将11)中表达式代入8)中表达式，可以得到其余功率分配变量的闭合形式最 优解，如下：
[0032] 13).将11)和12)中pk表达式代入
，判断当λ = 〇 时，是否满足R多r。。若满足该条件，则取λ = 〇即可。若不满足该条件，则可利用二分法 或牛顿法等常规数值方法求解λ的取值。
[0033] 其中：（·）τ 一表示矩阵的转置运算，（·）Η-表示矩阵的共辄转置运算，diaglr} - 表示以向量r为对角线元素的对角矩阵，M-信源节点发射机天线数，N-中继节点收发机 天线数，L一信宿接受机天线数，EE-系统总能效，R一系统总频谱效率，P tcital-系统总功率 消耗，K一信源节点发射端输入数据流数且满足K = min {M，N，U，氏一信源节点到中继节点 间信道系数矩阵，Hf-中继节点到信宿节点间信道系数矩阵，U11 i = u-列正交矩阵，V11 i = 1ι2-列正交矩阵，
一信道矩阵H1的第k个奇异值，
一信道矩阵氏的 第k奇异值，Ii1 一中继节点处的加性高斯白噪声向量，C1 一中继节点处的加性高斯白噪声 功率，n2-信宿节点处的加性高斯白噪声向量，σ::-信宿节点处的加性高斯白噪声功率， γ-信源节点发射机每根天线上的发射功率，Pk-中继节点处在第k条数据流上分配的发 射功率，α -信源节点发射机功率放大器功率转换系数，ξ -信源节点发射机的固定电路 功耗，β-中继节点发射机功率放大器功率转换系数，ζ-中继节点发射机的固定电路功 耗，r。一系统的频谱效率最低要求，λ-拉格朗日乘子系数，算法中的常量参数包括：
[0035] 本发明提出了一种高信噪比区间下的基于能效最大化的多天线中继功率分配方 法，即中继节点根据当前获得的信道系数矩阵，直接通过闭合形式解求得多个数据流上分 配的发射功率值。整个算法不需要多层交替迭代过程，大大地降低了复杂度。和传统的基 于频谱效率最大化算法相比，在系统能效性能方面具有更为突出的增益，对于实际的多天 线中继通信系统中具有较好的应用效果。
【附图说明】
[0036] 图1为本发明方法的系统模型；
[0037] 图2为本发明的算法基本流程图；
[0038] 图3为在不同的频谱效率约束下，所提方法