基于能效最優(yōu)的大規(guī)模多天線中繼系統(tǒng)用戶數(shù)優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及基于能效最優(yōu)的大規(guī)模多天線中繼系統(tǒng) 用戶數(shù)優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多輸入多輸出（簡(jiǎn)稱(chēng)ΜΜ0)技術(shù)在無(wú)線通信系統(tǒng)中所發(fā)揮的作用越來(lái)越重要，在利 用了空域資源之后，使得無(wú)線通信系統(tǒng)在可達(dá)速率、頻譜效率、鏈路可靠性等方面有了顯著 地提升。然而，傳統(tǒng)ΜΜ0系統(tǒng)中所利用的天線數(shù)是較少的，包括最新的通信標(biāo)準(zhǔn)LTE-A中也 僅僅使用了8端口天線，這對(duì)于潛在的豐富空域資源而言，顯然對(duì)其探索是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的。美 國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家ThomasL.Marzetta教授早在2006年就指出當(dāng)基站天線數(shù)遠(yuǎn)大于單天 線用戶數(shù)時(shí)，額外多出的天線對(duì)于系統(tǒng)性能而言總能起到積極作用的。直到2010年大規(guī)模 多輸入多輸出（簡(jiǎn)稱(chēng)大規(guī)模ΜΙΜΟ)技術(shù)才被正式提出，這一技術(shù)從提出至今，便一直受到國(guó) 內(nèi)外無(wú)線通信行業(yè)人士的廣泛關(guān)注，業(yè)內(nèi)人士都對(duì)其在第五代移動(dòng)通信系統(tǒng)中起到的核心 作用寄予了厚望。
[0003]所謂大規(guī)模ΜΜ0技術(shù)是指在基站端配置大規(guī)模數(shù)量的天線陣列來(lái)同時(shí)服務(wù)多個(gè) 用戶，并且天線數(shù)量級(jí)遠(yuǎn)大于服務(wù)的用戶數(shù)量級(jí)。通過(guò)在基站端使用大規(guī)模天線陣列挖掘 空域可用資源，可以獲得許多相對(duì)于傳統(tǒng)ΜΜ0系統(tǒng)的新特性。例如，原本具有隨機(jī)特性的信 道參數(shù)將呈現(xiàn)出確定性（即信道硬化現(xiàn)象），空間波束分辨率將大大提高從而可以更加準(zhǔn)確 的將波束對(duì)準(zhǔn)各個(gè)用戶，可以在基站端采用簡(jiǎn)單的線性預(yù)編碼/檢測(cè)方法來(lái)有效消除多用 戶干擾從而達(dá)到近似最優(yōu)的性能系統(tǒng)，豐富的自由度用于先進(jìn)的恒包絡(luò)波束賦形從而降低 對(duì)功放的線性度要求等等。
[0004]與此同時(shí)，多天線中繼技術(shù)作為未來(lái)異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)中重要組成部分也一直受到工 業(yè)界和學(xué)術(shù)界的廣泛關(guān)注。通過(guò)引入多天線中繼節(jié)點(diǎn)，可以大大提升小區(qū)覆蓋范圍，提高邊 緣用戶的傳輸速率，增強(qiáng)傳輸鏈路可靠性。但是，在多用戶中繼系統(tǒng)中，用戶間干擾一直是 限制多天線中繼系統(tǒng)的瓶頸所在。針對(duì)這一問(wèn)題，業(yè)界提出了多種不同的解決方案用以消 除或抑制多用戶干擾，這其中主要包括：（1)通過(guò)在不同用戶間分配正交時(shí)頻資源，通過(guò)資 源劃分來(lái)抑制用戶間干擾；（2)通過(guò)聯(lián)合設(shè)計(jì)預(yù)編碼和接收機(jī)算法來(lái)達(dá)到對(duì)抗用戶間干擾 的目的；（3)通過(guò)控制同時(shí)服務(wù)的用戶數(shù)量，選擇相互間干擾較小的用戶進(jìn)行多用戶傳輸來(lái) 在一定程度上抑制用戶間干擾。然而，第一種方法雖然可以較好地消除用戶間干擾，但是帶 來(lái)的是額外時(shí)頻資源的開(kāi)銷(xiāo)，造成了系統(tǒng)整體頻譜效率的下降。第二種方法則會(huì)大大增加 算法復(fù)雜度，對(duì)中繼節(jié)點(diǎn)和收端用戶的計(jì)算資源開(kāi)銷(xiāo)提出了更高的要求。第三種雖然可以 保證同時(shí)服務(wù)的用戶性能最佳，但是會(huì)產(chǎn)生服務(wù)用戶的公平性問(wèn)題，也即存在若干用戶由 于信道干擾影響，一直無(wú)法接入服務(wù)的現(xiàn)象。顯然，這些方案都存在較大的缺陷。正基于此， 把11^1八.511抑￥66以等人于2013年首次提出將大規(guī)模1頂0技術(shù)引入多用戶多天線中繼系 統(tǒng)，利用大規(guī)模ΜΙΜΟ在多用戶傳輸過(guò)程中所提供的良好的抑制干擾能力來(lái)解決成對(duì)用戶多 天線中繼系統(tǒng)的用戶間干擾問(wèn)題。與此同時(shí)，大規(guī)模天線所帶來(lái)的大量額外自由度，也提供 了更多用戶接入服務(wù)的可能性，特別是在未來(lái)密集用戶網(wǎng)絡(luò)場(chǎng)景下具有重要的實(shí)際意義和 應(yīng)用背景。
[0005]值得注意的是，在將大規(guī)模天線陣列引入中繼節(jié)點(diǎn)的同時(shí)，也不可避免的會(huì)帶來(lái) 一些問(wèn)題。最直接的問(wèn)題就是大量天線的使用所造成的射頻通道固定電路總功耗成倍提 升，而固定電路總功耗的大幅提升勢(shì)必會(huì)對(duì)中繼系統(tǒng)的整體能效性能造成影響。因此，從系 統(tǒng)能效性能出發(fā)，研究大規(guī)模天線中繼系統(tǒng)中固定電路功耗對(duì)可服務(wù)用戶數(shù)的影響是十分 有必要的。特別是在綠色通信這一主流概念下，將固定電路功耗考慮進(jìn)來(lái)，從而確定出系統(tǒng) 能夠服務(wù)的最優(yōu)用戶數(shù)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是很有意義的，而這一問(wèn)題尚未有研究人員涉足。為 了解決大規(guī)模天線中繼系統(tǒng)中的用戶數(shù)優(yōu)化問(wèn)題，我們提出了基于能效最大化的用戶數(shù)優(yōu) 化模型，由于該模型中目標(biāo)函數(shù)過(guò)于復(fù)雜且沒(méi)有精確的解析表達(dá)式，因而優(yōu)化問(wèn)題求解過(guò) 程十分困難。
[0006]本發(fā)明公開(kāi)了一種基于能效最優(yōu)的大規(guī)模多天線中繼系統(tǒng)用戶數(shù)優(yōu)化方法。該系 統(tǒng)由多個(gè)發(fā)端用戶和多個(gè)收端用戶組成通信對(duì)，借助一個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)站通過(guò)兩跳完成發(fā)端用 戶到收端用戶的信息傳輸。系統(tǒng)中所有收發(fā)用戶均配置單根天線，中繼節(jié)點(diǎn)配置大規(guī)模數(shù) 量天線陣列，如摘要附圖中所示。本發(fā)明方法以最大化系統(tǒng)能效為目標(biāo)，以被服務(wù)的用戶數(shù) 為優(yōu)化變量建立數(shù)學(xué)模型。由于該優(yōu)化問(wèn)題中目標(biāo)函數(shù)無(wú)精確解析表達(dá)式，因此，借助于大 維隨機(jī)矩陣?yán)碚撝械拇髷?shù)定律，先對(duì)目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行近似轉(zhuǎn)化，進(jìn)而求得目標(biāo)函數(shù)的一種精 確近似解析表達(dá)式。利用該解析表達(dá)式關(guān)于優(yōu)化變量的擬凹特性，提出一種最優(yōu)服務(wù)用戶 數(shù)的數(shù)值求解方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明為使成對(duì)用戶大規(guī)模天線中繼系統(tǒng)獲得較高的能效性能而提出一種基于 能效最優(yōu)的大規(guī)模多天線中繼系統(tǒng)用戶數(shù)優(yōu)化方法，給出了最優(yōu)用戶數(shù)的數(shù)值求解算法。
[0008]本發(fā)明的基于能效最優(yōu)的大規(guī)模多天線中繼系統(tǒng)用戶數(shù)優(yōu)化方法，其特征在于， 所述方法包括以下步驟：
[0009] 1).中繼節(jié)點(diǎn)通過(guò)信道估計(jì)獲得它到所有發(fā)端用戶和收端用戶間的理想信道狀態(tài) 信息，即信道矩陣H= [hph"…,? ]e 和1&*=&1:晶 :,:.,.為}%€^，其中，111{表示第1^ 個(gè)發(fā)端用戶到中繼節(jié)點(diǎn)的信道向量且服從復(fù)高斯分布、），gf表示中繼節(jié)點(diǎn)到第k 個(gè)收端用的信道向量且服從復(fù)高斯分布假設(shè)系統(tǒng)采用時(shí)分雙工制式，且信道服 從平坦塊衰落，也即在信道相干時(shí)間內(nèi)信道系數(shù)保持不變。
[0010] 2).在第一跳內(nèi)，KU1)個(gè)發(fā)端用戶同時(shí)向中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)送信息符號(hào)，如附圖1中第 一跳起始時(shí)刻所示，則在中繼節(jié)點(diǎn)處的接收信號(hào)可以表示為向量r，如附圖1中第一跳結(jié)束 時(shí)刻所示，r的表達(dá)式如下所示，
[0012]其中，X=[X1，X2, . . .，XK]T，xk(k=l，2, . . .，K)表示第k個(gè)發(fā)端用戶的發(fā)射符號(hào)且E{kf} =l，nr表示第一時(shí)隙在中繼節(jié)點(diǎn)處的單位功率加性白噪聲且滿足復(fù)高斯分布
[0013] 3).在第二跳開(kāi)始前，中繼節(jié)點(diǎn)采用最大比合并和最大比發(fā)送預(yù)編碼矩陣
對(duì)接收到的信號(hào)r進(jìn)行放大，形成轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)向量t，如附圖1中第二跳起始時(shí)刻 所示，轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)t具有如下形式表達(dá)式，
[0015]其中，ξ為功率歸一化因子用以滿足中繼節(jié)點(diǎn)處的第二跳平均總發(fā)射功率約束pr， 即，
[0017]
'然后，中繼節(jié)點(diǎn)將信號(hào)t通過(guò)第二 跳轉(zhuǎn)發(fā)至所有收端用戶，如附圖1中第二跳結(jié)束時(shí)刻所示，則第k個(gè)收端用戶接收到的信號(hào)yk可以表示為如下形式，
[0019] 其中，nk表示第k個(gè)收端用戶處的單位功率加性白噪聲且滿足復(fù)高斯分布 t：Ar(0,l)〇
[0020] 4).基于步驟3)中收端用戶的接收信號(hào)表達(dá)式，可以得第k個(gè)收端用戶的接收信干 燥比SINR表達(dá)式如下所示，
[0022]
到第k個(gè)收端用戶的平均頻譜效率如下式所示，
[0024]
表示將占用的兩個(gè)時(shí)隙資源考慮在內(nèi)所產(chǎn)生的頻譜效率損失。
[0025] 5).基于步驟4)中平均頻譜效率表達(dá)式，在中繼節(jié)點(diǎn)處建立以最大化系統(tǒng)總能效 函數(shù)η(κ)為目標(biāo)，以被服務(wù)用戶對(duì)數(shù)K為變量的數(shù)學(xué)優(yōu)化模型，如下所示，
[0027]其中，η(Κ)表示關(guān)于用戶對(duì)數(shù)Κ的能效函數(shù)，Sz表示所有用戶的總頻譜效率，Ρ?表 示系統(tǒng)的總功率消耗，ys 2 1表示每個(gè)發(fā)端用戶發(fā)射機(jī)功放器件的效率損耗常量因子，2 1 表示中繼節(jié)點(diǎn)發(fā)射機(jī)功放器件的效率損耗常量因子，Ps表示每個(gè)發(fā)端用戶發(fā)射機(jī)的常量固 定功率消耗，pr表示中繼節(jié)點(diǎn)收發(fā)機(jī)每根天線上的常量固定功率消耗。
[0028] 6).由于步驟5)中目標(biāo)函數(shù)中包含Sk，其精確解析表達(dá)式難以獲得，不利于后續(xù)優(yōu) 化問(wèn)題的解決。此處，根據(jù)大數(shù)定律（參見(jiàn)文獻(xiàn)1中公式(44):S.Jin，X.Lian