频分复用多用户MIMO能效优化方法

摘要

本发明提出了频分复用多用户MIMO能效优化方法，能够运用于多用户MIMO系统。优化的目的是为每一个用户设计预编码方案，使总能效效用函数最大。优化方法按如下步骤进行：首先将各个用户的能效函数进行优化预处理，具体分为三个步骤：噪声白化与信道对角化，求出链路功率分配方案的注水解，获取优化后的能效函数；然后利用预优化的能效函数，确定各个用户的发送功率以最大化多用户的总能效效用；最后使用用户组能效效用最大化算法解决这个问题。本发明定义的多用户能效效用函数的定义具有一般性，能够涵盖最大化各用户能效的加权平均、幂运算的乘积、加权调和平均、加权最小值等多种指标，且随后提出的高效算法对这些指标均适用。

主权项

一种频分复用多用户MIMO能效优化方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：1)噪声白化与预编码矩阵换元：根据下式进行信道噪声白化，得到所有用户的等效白化信道矩阵：${\tilde{H}}_i=R_i^{-\frac{1}{2}}{H}_i;$其中，i表示用户编号，i∈{1,2,…,K}，表示用户i的等效白化信道矩阵，K为用户总数，R_i为用户i的噪声协方差矩阵，H_i为用户i的信道矩阵；然后进行信道对角化，即根据下式对等效白化信道矩阵做奇异值分解：${\tilde{H}}_i\stackrel{\Delta }{=}{U}_i{\Sigma }_i{V}_i^H$其中U_i为用户i的等效白化信道矩阵的左奇异矩阵，Σ_i为用户i的等效白化信道矩阵的奇异值矩阵，为用户i的等效白化信道矩阵的右奇异矩阵的共轭转置，为数学中用于定义的符号；最后将修正预编码矩阵换元为紧凑预编码矩阵其中Q_i为用户i的简单预编码矩阵，V_i为用户i的等效白化信道矩阵的右奇异矩阵，为用户i的等效白化信道矩阵的右奇异矩阵的共轭转置；2)运用拉格朗日乘值法求解链路功率分配问题，得到最优功率分配方案为：$p_{ij}^{*}=max\{\frac{1}{{\upsilon }_i}-\frac{1}{{\gamma }_{ij}^2},0\}$其中，为用户i的第j个链路的最优功率分配方案，j为链路标号，max表示取最大值，υ_i为注水水平，υ_i的取值须满足P′_i是链路功率的总和，γ_ij为Σ_i对角线上的元素，即等效白化信道矩阵的奇异值，且L_i为等效白化信道矩阵的秩；3)根据下式获取预优化能效函数$u_i^{*}\left(P_i\right)\stackrel{\Delta }{=}\underset{P_i^{\prime }\in \left[0,P_i\right]}{\sup }{u}_i\left(P_i^{\prime }\right)=\left\{\begin{array}{cc}{u}_i\left(P_i\right)& 0\le P_i<P_i^{*}\\ u_i\left(P_i^{*}\right)& P_i\ge P_i^{*}\end{array}\right.$其中，P_i为用户i的功率资源，u_i(P_i)为用户能效效用，为用户i的最优功率资源，为最优用户能效效用；4)用户组能效效用的数据初始化：初始化λ_min＝0，ε>0；其中λ_min为拉格朗日乘子λ的下界，λ_max为拉格朗日乘子λ的上界，ε为迭代精确度，s_i为用户i对应的权重，γ_i1为用户i的等效白化信道矩阵的最大奇异值，β为基站的静态功率；5)首先根据二分法的折半查找原理，按照下式计算拉格朗日乘子：λ＝(λ_min+λ_max)/2；然后根据下式求取所有用户的当前最佳功率分配方案为：$P_i^{opt}\left(\lambda \right)=min\{P_i\left(\lambda \right),P_{iu}\}$其中，为用户i的的当前最佳功率分配方案，P_iu为用户i的上限功率，P_i为用户i的无功率限制情况下的功率分配方案，其为关于λ的函数，P_i的值满足为预优化能效函数的一阶导数，a为描述指标的参数；6)更新拉格朗日乘子的上限或下限：如果则不更新λ_min，并根据λ_max＝λ更新λ_max；如果则不更新λ_max，并根据λ_min＝λ更新λ_min；其中P_s为基站的总功率；7)获得最优的功率分配方案：如果λ_max‑λ_min≤ε，则将最后计算得到的P_i^opt(λ)作为用户i的最优功率分配方案，从而得到最优功率分配方案集合，否则返回步骤5)。