基于能效最优的大规模多天线中继系统用户数优化方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于无线通信技术领域，具体涉及基于能效最优的大规模多天线中继系统 用户数优化方法。
【背景技术】
[0002] 多输入多输出（简称ΜΜ0)技术在无线通信系统中所发挥的作用越来越重要，在利 用了空域资源之后，使得无线通信系统在可达速率、频谱效率、链路可靠性等方面有了显著 地提升。然而，传统ΜΜ0系统中所利用的天线数是较少的，包括最新的通信标准LTE-A中也 仅仅使用了8端口天线，这对于潜在的丰富空域资源而言，显然对其探索是远远不够的。美 国贝尔实验室科学家ThomasL.Marzetta教授早在2006年就指出当基站天线数远大于单天 线用户数时，额外多出的天线对于系统性能而言总能起到积极作用的。直到2010年大规模 多输入多输出（简称大规模ΜΙΜΟ)技术才被正式提出，这一技术从提出至今，便一直受到国 内外无线通信行业人士的广泛关注，业内人士都对其在第五代移动通信系统中起到的核心 作用寄予了厚望。
[0003]所谓大规模ΜΜ0技术是指在基站端配置大规模数量的天线阵列来同时服务多个 用户，并且天线数量级远大于服务的用户数量级。通过在基站端使用大规模天线阵列挖掘 空域可用资源，可以获得许多相对于传统ΜΜ0系统的新特性。例如，原本具有随机特性的信 道参数将呈现出确定性（即信道硬化现象），空间波束分辨率将大大提高从而可以更加准确 的将波束对准各个用户，可以在基站端采用简单的线性预编码/检测方法来有效消除多用 户干扰从而达到近似最优的性能系统，丰富的自由度用于先进的恒包络波束赋形从而降低 对功放的线性度要求等等。
[0004]与此同时，多天线中继技术作为未来异构网络架构中重要组成部分也一直受到工 业界和学术界的广泛关注。通过引入多天线中继节点，可以大大提升小区覆盖范围，提高边 缘用户的传输速率，增强传输链路可靠性。但是，在多用户中继系统中，用户间干扰一直是 限制多天线中继系统的瓶颈所在。针对这一问题，业界提出了多种不同的解决方案用以消 除或抑制多用户干扰，这其中主要包括：（1)通过在不同用户间分配正交时频资源，通过资 源划分来抑制用户间干扰；（2)通过联合设计预编码和接收机算法来达到对抗用户间干扰 的目的；（3)通过控制同时服务的用户数量，选择相互间干扰较小的用户进行多用户传输来 在一定程度上抑制用户间干扰。然而，第一种方法虽然可以较好地消除用户间干扰，但是带 来的是额外时频资源的开销，造成了系统整体频谱效率的下降。第二种方法则会大大增加 算法复杂度，对中继节点和收端用户的计算资源开销提出了更高的要求。第三种虽然可以 保证同时服务的用户性能最佳，但是会产生服务用户的公平性问题，也即存在若干用户由 于信道干扰影响，一直无法接入服务的现象。显然，这些方案都存在较大的缺陷。正基于此， 把11^1八.511抑￥66以等人于2013年首次提出将大规模1頂0技术引入多用户多天线中继系 统，利用大规模ΜΙΜΟ在多用户传输过程中所提供的良好的抑制干扰能力来解决成对用户多 天线中继系统的用户间干扰问题。与此同时，大规模天线所带来的大量额外自由度，也提供 了更多用户接入服务的可能性，特别是在未来密集用户网络场景下具有重要的实际意义和 应用背景。
[0005]值得注意的是，在将大规模天线阵列引入中继节点的同时，也不可避免的会带来 一些问题。最直接的问题就是大量天线的使用所造成的射频通道固定电路总功耗成倍提 升，而固定电路总功耗的大幅提升势必会对中继系统的整体能效性能造成影响。因此，从系 统能效性能出发，研究大规模天线中继系统中固定电路功耗对可服务用户数的影响是十分 有必要的。特别是在绿色通信这一主流概念下，将固定电路功耗考虑进来，从而确定出系统 能够服务的最优用户数，对于网络优化是很有意义的，而这一问题尚未有研究人员涉足。为 了解决大规模天线中继系统中的用户数优化问题，我们提出了基于能效最大化的用户数优 化模型，由于该模型中目标函数过于复杂且没有精确的解析表达式，因而优化问题求解过 程十分困难。
[0006]本发明公开了一种基于能效最优的大规模多天线中继系统用户数优化方法。该系 统由多个发端用户和多个收端用户组成通信对，借助一个中继节点站通过两跳完成发端用 户到收端用户的信息传输。系统中所有收发用户均配置单根天线，中继节点配置大规模数 量天线阵列，如摘要附图中所示。本发明方法以最大化系统能效为目标，以被服务的用户数 为优化变量建立数学模型。由于该优化问题中目标函数无精确解析表达式，因此，借助于大 维随机矩阵理论中的大数定律，先对目标函数进行近似转化，进而求得目标函数的一种精 确近似解析表达式。利用该解析表达式关于优化变量的拟凹特性，提出一种最优服务用户 数的数值求解方法。
【发明内容】
[0007] 本发明为使成对用户大规模天线中继系统获得较高的能效性能而提出一种基于 能效最优的大规模多天线中继系统用户数优化方法，给出了最优用户数的数值求解算法。
[0008]本发明的基于能效最优的大规模多天线中继系统用户数优化方法，其特征在于， 所述方法包括以下步骤：
[0009] 1).中继节点通过信道估计获得它到所有发端用户和收端用户间的理想信道状态 信息，即信道矩阵H= [hph"…,? ]e 和1&*=&1:晶 :,:.,.為}%€^，其中，111{表示第1^ 个发端用户到中继节点的信道向量且服从复高斯分布、），gf表示中继节点到第k 个收端用的信道向量且服从复高斯分布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。
[0010] 2).在第一跳内，KU1)个发端用户同时向中继节点发送信息符号，如附图1中第 一跳起始时刻所示，则在中继节点处的接收信号可以表示为向量r，如附图1中第一跳结束 时刻所示，r的表达式如下所示，
[0012]其中，X=[X1，X2, . . .，XK]T，xk(k=l，2, . . .，K)表示第k个发端用户的发射符号且E{kf} =l，nr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
[0013] 3).在第二跳开始前，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，如附图1中第二跳起始时刻 所示，转发信号t具有如下形式表达式，
[0015]其中，ξ为功率归一化因子用以满足中继节点处的第二跳平均总发射功率约束pr， 即，
[0017]
'然后，中继节点将信号t通过第二 跳转发至所有收端用户，如附图1中第二跳结束时刻所示，则第k个收端用户接收到的信号yk可以表示为如下形式，
[0019] 其中，nk表示第k个收端用户处的单位功率加性白噪声且满足复高斯分布 t：Ar(0,l)〇
[0020] 4).基于步骤3)中收端用户的接收信号表达式，可以得第k个收端用户的接收信干 燥比SINR表达式如下所示，
[0022]
到第k个收端用户的平均频谱效率如下式所示，
[0024]
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。
[0025] 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(κ)为目标，以被服务用户对数K为变量的数学优化模型，如下所示，
[0027]其中，η(Κ)表示关于用户对数Κ的能效函数，Sz表示所有用户的总频谱效率，Ρ?表 示系统的总功率消耗，ys 2 1表示每个发端用户发射机功放器件的效率损耗常量因子，2 1 表示中继节点发射机功放器件的效率损耗常量因子，Ps表示每个发端用户发射机的常量固 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。
[0028] 6).由于步骤5)中目标函数中包含Sk，其精确解析表达式难以获得，不利于后续优 化问题的解决。此处，根据大数定律（参见文献1中公式(44):S.Jin，X.Lian