[发明专利]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

说明书

本发明公开了一种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，属于无线通信技术领域。该系统由多个信源节点、多个信宿节点和一个中继节点所组成，信源节点与信宿节点一一对应组成通信对，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。系统中所有信源和信宿节点均配置单根天线，中继节点配置大规模天线阵列。本发明方法以最大化系统能效为目标，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建立数学模型，再采用交替迭代优化算法及目标函数的部分凸性和拉格朗日对偶法，获得了中继节点最优发射功率和中继最优天线数的闭合形式解。

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及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。

背景技术

近年来，大规模多输入多输出(简称大规模MIMO)技术吸引了无线通信领域学术界与工业界越拉越多的目光，并被广泛认为是第五代移动通信系统的关键技术之一。大规模MIMO技术是指在基站端集中配备大规模数量的天线阵列来同时服务数量相对较小的多个用户，有研究指出，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MIMO系统的新特性，诸如，信道快衰落和热噪声被平均(又称信道硬化)，显著降低基站端和用户端的发射功率而不影响系统的可达速率性能，超高的空间分辨率可用于精准的波束对准，以及简单的线性处理便可以几近完美的消除多用户间干扰影响等等。

与此同时，多天线中继通信系统作为未来异构网络中的重要组成部分也一直受到众多研究机构和设备厂商的广泛关注。通过引入多天线中继节点，可以在小区覆盖范围、边缘用户吞吐量、链路可靠性和传输功耗等方面获得诸多性能提升。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性能的主要因素。针对该问题，业界提出两类主流的解决方案：一类是利用时频资源的正交性，将不同用户调度在不同的时频资源块上，通过增加视频资源消耗来抑制用户间干扰；另一类则是通过联合设计预编码和接收机模块来达到降低用户间干扰的目的。然而，第一类方法虽然可以获得较好的用户间干扰消除效果，但是消耗了过多的系统时频资源，对系统整体的频谱效率性能的负面影响较大。第二种方法在实现复杂度方面带来了较大的困难，联合设计的算法通常复杂度过高，对中继节点和信宿节点的硬件计算资源提出了更高的要求。考虑到大规模MIMO技术采用低复杂度线性处理即可较好消除用户间干扰这一特性，Himal A.Suraweera等人于2013年首次提出将大规模MIMO技术引入多用户多天线中继系统，利用大规模MIMO在多用户通信中所提供的抑制多用户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，这使得大规模天线中继的系统性能有了较大的增长潜力，同时，也可以利用大规模MIMO技术的简单线性处理方式大大降低中继节点与信宿节点的计算资源开销。

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若干问题。大规模天线阵列的使用可以使信源用户发射功率和中继节点发射功率成倍降低而不影响系统频谱效率，这对于提升系统的发射功率效率是十分有益的。然而，与大规模天线阵列密切相关的射频链路固定功耗将随天线数成倍提升，而固定电路总功耗的提升势必会对中继通信系统的整体能效性能造成影响。特别是当固定电路总功耗远大于发射功耗时，持续增加天线数会使得系统的总能效性能不升反降。由此可见，中继天线数的增加可以减少发射功耗，却会增加射频链路的电路功耗，在中继天线数与发射功率之间，存在着一个折中，联合考虑信源节点发射功率、中继节点发射功率以及中继天线数的资源分配问题具有十分重要的实际意义和应用背景，特别是在绿色通信概念下，发射功率和天线数的分配会直接影响到系统的能效水平，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资源分配问题，我们提出了基于能效最大化的信源节点发射功率、中继节点发射功率和中继节点天线数联合资源分配优化模型，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。