基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法
基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信传输技术，具体为多用户MIS0(MultipleInputSingle Ou化ut)无线信能同传干扰系统下能量效率最大化的收发机设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前，通信技术产生的巨大能耗及其产生的环境问题已经成为通信业乃至全社 会关注的焦点。无线电波作为一种潜在的绿色能源，不仅可W传输信息，还能够传输能量。 其中传输的能量是可W有效利用的，在不影响通信服务质量的条件下，最有效地使用传输 能量能够降低整个系统的能耗，提高系统的能量效率。
[0003] 当前很多研究工作集中在无线通信系统的吞吐量最大化，发射功率最小化 或者无线采集能量最大化的研究。其中文献化化i，W.Xu,T.-比化ang，Y.Wangand E.Song,"JointbeamformingandpowersplittingforMISOinterferencechannel withSWIPT:anSOCPrelaxationanddecentralizedalgorithm,"，IEEETrans.Signal Process,vol. 62,no. 23,pp. 6194-6208,Dec. 2014.]和[S.Timotheou,I.Krikidis,G.Zheng andB.Ottersten,"BeamformingforMISOinterferencechannelswithQoSandRF energytransfer, "IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 13,no. 5,pp. 2646-2658,May 2014.]是针对多用户信能同传干扰系统，W传输功率最小化为目标，利用凸松弛技术研究 预编码和功率分裂因子的联合设计方法。然而能量效率，定义为传输每单位比特消耗的能 量（焦耳每比特），也是判断一个系统性能好坏的一个重要评价标准，它是当前及未来绿色 无线通信系统的重点研究方向。因此本发明是针对多用户信能同传干扰系统，W能量效率 最大化为目标，利用Dinke化ach算法研究传输预编码和接收功率分裂因子的联合设计方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对传统的信能同传干扰系统技术的不足，提出一种基于多用 户信能同传干扰系统能效最大化的收发机设计方法。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的；一种基于多用户信能同传干扰系统 能效最大化的收发机设计方法，包括如下步骤：
[000引 （1)初始化如下变量：信干噪比的约束目标丫k，采集功率约束目标6k，k= 1，2, . . .，K，每个用户的功率约束目标Pk;
[0007] (2)对多用户信能同传干扰系统的能量效率最大化问题进行简化，即将原问题分 解成K个子问题；运用Dinke化ach思想，引入能效变量n将非线性分式规划转换成一般的 非分式规划，其中第k个独立子问题如下：
[0008]
[0009] 其中：Pk为用户k的功率分裂因子，K为总的用户数，Pe为系统固定总消耗功 率，为天线引入的加性噪声的方差，逆为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引 起的加性噪声的方差为功率放大器效率，Ck为采集电路单元的能量转化效率，并定义 巧
hkk表示用户k的发射机和接收机之间的共辆信道向量，不t表示用户k的最优 迫零预编码方向向量，n表示能效变量；
[0010] 0)第k个独立子问题WPk，Pk为未知数，求解每个子问题的最优解Pk，Pk，即得
) 到闭式解集合{Pk，PJ，k= 1，2，...，K;通过公式 _.求得此闭式 解集合对应的能效值n;基于Dinke化ach迭代思想求得最终能效值及相对应的 (rf'vr);
[0011] (4)计算传输预编码向量V,, ，A: =l，2，..乂，用户k的发射机利用Vk对传 输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子发送到相应的接收机，每 个用户接收机设定功率分裂因子，完成信能同传干扰系统的收发机设计，可W进行信息与 能量的同时接收。
[0012] 所述K个独立子问题的求解基于Dinke化ach迭代方法，具体包括W下子步骤： [001引（1. 1)初始化迭代次数n= 1、可行解，如并计算出对应的能效值nW，其 中片"1，戶{"分别表示用户k在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子；
[0014] (1. 2)更新迭代次数n=n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个 一维方程，即；
[0023] 求出对应闭式解集合{Pk，PJ，找出满足可行域0《P1和1 2 (Pk)《Pk《Pk 并且使得目标函数
取得最大值时对应的)，即为用 户k对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最优解，即可计算此时的能效值n(n)，n(n)可賊示为：
[0024]
[0025] (1. 3)判断是否满足迭代条巧
e为判定阔值，若满足条件继续执 行步骤（1.。，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的nh哺侣"，处|}。
[0026] 本发明的有益效果是：本发明将传输波束赋形向量和干扰信道矩阵进行有效的组 合，采用迫零和Dinke化ach算法对原复杂的问题进行了简化。在满足通信服务质量的前提 下，不仅实现了信息和能量的同时传输，更重要的是最大化信能同传干扰系统的能量效率。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明一个实施例的系统模型图；
[0028] 图2是本发明一个实施例的关键算法的程序流程图；
[0029] 图3是本发明一个实施例的平均能效与发射功率比较图；
[0030] 图4是本发明一个实施例的平均能效与发射天线数比较图。
【具体实施方式】
[0031] 为了让本发明更加清晰可靠，下文将对本发明的实施方式进行具体阐述。
[0032] 系统的模型如图1所示，考虑一个多用户信能同传干扰系统，在给定的频带带宽W 下，每个用户（Tk)(发送端共K个用户）装有Nt(Nt〉l)个天线供应1个单天线用户（接受 端共K个用户）。让Sj.~CN化1)表示传输符号，Vj.表示预编码（或称波束赋形向量）j= 1，...，K。让hy表示发射机j和接收机k之间的共辆通道向量，那么用户k接受的信号可 W表示为：
[003引
…
[0034] 其中~C'V(0,〇刊表示用户k的天线加性噪声。
[00巧]不同于传统的多用户MIS0系统，每个用户接受到的信号将分裂两部分，一部分用 于信息译码，另一部分用于能量采集。用户k接收到信号按照比例Pk进行分裂，信息译码 部分yf可W表示为：
[0036]
(2)
[0037] 其中。-~CW(0,病-)为射频信号转变为基带信号进行信号处理时造成的加性噪声。
[0038] 另一部分能量采集函数可W表示为：
[0039]
(3)[0040] 因此，用户k的信道译码的信干噪比SINRk可W表示为：
「 1 (4)
[0041]
[0042] 用户k采集的功率Ek可W表示为：
[0043]
C5)
[0044] 其中CkE化U表示能量转化效率。
[0045] 根据香农公式，第k个用户的数据传输速率Rk可W表示为：
[004引 化兰Wlog(l+ 57/V7?,,')，W (6)
[0047] 因此，系统总的数据传输速率R可W表示为：
[0048]
C7)
[0049] 系统的总功耗P,可表示为：
[0050]
( 8、
[0051] 其中第一部分
表示发射机放大器的功率损耗（0 表示放大器的功率 效率），第二部分P。表示接收机信号处理的恒定功率损耗，与第一部分是相互独立的。
[0052] 对于信能同传干扰系统，通信服务质量的要求包括两部分，一部分是为了保证正 常通信需要信干噪比SINRk达到一定的要求，另一部分是采集功率Ek需满足一定的条件。 假设SINRk和Ek的设计目标分别为丫k和6k。为了简化收发器的设计，我们使用最常见的 波束形成方案-迫零处理，即归零多用户干扰信号。在数学上，该个问题可W等效为（忽略 常数W):
[0053]
C9；
[0054] 观察上述问题，很容易发现，该问题为非凸优化问题（包括非凸的目标函数和非 凸的约束集），但是根据问题巧）的迫零约束条件和结构，我们可W利用命题1将问题巧） 进行简化。
[005 引命题 1 ;假走比-，.. .，，A(i-+l)i-，.. .，A思-_，，Uk表不为干扰f曰道矩阵 的 零空间正交基组成的向量，定义和，gk分别为：
[0056]
(10)
[0057] 因此问题（9)可W简化为：
[0058]
[0059] 其中八=不it，A= 1,2,A。 川）
[0060] 很显然，问题（11)是一个非线性分数规划，是很难被解决的。引入能效变量n运 用Dinke化ach算法将问题（11)的目标函数转换成分子、分母相减的形式。因此，目标函数 可转换为：
[0064] n*仅仅是最大的能量效率，设F(n)表示的问题（12)的最佳值。Dinke化ach算 法是一种迭代算法，产生的n收敛于最大的能量效率使得F(nt) =0。其中n值的 获取见图2所示。一旦n收敛，问题（12)将得到解决，也就得到了问题（11)的最优解，从 而实现了能量效率的优化。
[0065] 因此，我们首先需要解决的是问题（12)。不同于问题（11)，问题（12)对于每个用 户都是独立的。也就是说，问题（12)可W被分解成K个子问题，其中第k个子问题可W表 示为：
[0068]
(15)
[0066] U4)
[0067] 为了方便，在解决问题（14)之前我们先 将该问题的前两个条件进行转换，即
[0071]如果将Pk用Pk表示，即Pk(Pk)。问题（14)就变成了带有边界约束条件的单变 量凸问题，其最佳值一定在极值点或者边界值点上。因此，最佳值Pk(Pk)可W是下列四种 情况：
[007引l)Pk(Pk)=Pk;。？k(Pk)= li(Pk) ;3)Pk(Pk)= l2(Pk) ;4)如A-i=Pr(A)，其 中Pr(A)表示问题（14)的目标函数WPk为未知数的极值点。为了解决问题（14)，我们需 要分别讨论Pk，Pk的每一种情况，现总结成W下3种情形：
[007引1)假设片;;'(户,）含."r含niax(/,(A)，/2(八)）（试^为Pk的上边界值），当 A-(A> =Pr=戶*时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0074]
…）
[007引1.1)求戶r(WP巧未知数的极值点），所W令抑公、二0,爲Pk不存在。
[007引1.。求(Pk的上边界值），将问题（14)第2个约束条件转化得：
[007引验证假设条件（^r(A) >片1'">max(/|(A)，/2(八)））是否成立，成立则存在此解，不 成立则忽略此解。
[007引1.如求如"""（Pk的下边界值），将问题（14)第一个约束条件转化得：
[00引]验证假设条件（从(八）^三/，r>max(/|(A)，/2(A)))是否成立，成立则存在此解，不 成立则忽略此解。
[008引 若
，则Pk= 0即Pk不存在。
[008引。假设托(如""'为Pk的下边界值），即化化=pr=ma地的,./:(知)。
[0084] 2. 1)当li(Pk) >l2(Pk) >0 时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0085]
[008引求打^，所W令
'得Pk不存在。
[0087] 2.。当l2(Pk) >li(Pk) >0 时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0094] 分别验证假设条件l(l2(Pk) >li(Pk) >0)和假设条件2(兴(A)^/;(A,^fr) 是否成立，成立则存在此解，不成立则忽略此解。
[0097] 因此，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[009引
（22)
[0104] 验证假设条件（pf""含货(A)含pP是否成么成立则存在此解，不成立则忽略此 解。
[0105] 将每种情况得到的闭式解（pj和对应的{PkK代到问题（14)中，然后求出使 ih(Pk)取得最大值所对应的（Pk，Pk)，良P为问题（14)所求解，再同理求解其他子问题，最 终得到问题（11)的可行解{Pk，pJ。
[0106] 综上，用户k的发射机利用Vk对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个 功率分裂因子发送到相应的接收机，使每个用户接收机设定功率分裂因子，达成信息与能 量的同时接收，从而实现了能量效率的最大化。
[0107] 如图2所示，叙述了运用Dinke化ach算法迭代出n值的具体方法，包括W下步 骤：
[010引 （1)初始化迭代次数n= 1、可行解，片i，并计算出对应的能效值nW，其 中分别表示用户k在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子（初始值 nW，n?分别设定为10-3和);
[0109] 似求出对应闭式解集合{Pk，pJ，找出满足可行域0《p1和 max(li(pk)，l2(Pk))《Pk《Pk并且使得目标函数
取得最大 值时对应的(片w，/>r，即为用户k对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最 优解，即可计算此时的能效值nW，nW可W表示为：
[0110]
[0111] (3)判断是否满足迭代条件
e为判定阔值，设定为1(T4,若满足 条件继续执行步骤（1. 2)，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的nW和 修，片1。
[0112]图3和图4是本发明通过Matl油对所设计方案的仿真验证。参数具体设置为： 发送端天线数Nt=8,信息接受者的数量K=4,能量转换系数C =0.65,天线噪声功率 式=-70独W，传输噪声功率《=-40独W，功率放大器效率0=5,带宽W=15KHZ，此 夕K假设所有的信息接收者具有相同的SINRk和Ek的口限值，即丫 1 =…二丫K= 丫和 =…=6K=e。如果不作特殊说明，在仿真中设置总传输功率Pk=40地m，丫 =20地m，e =-20地m。本文的收发机总固定电路消耗P。按如下方式取值；
[01 1 引Pc=Nt(PnAc+Pniix+Pfilt) +2Ps阳+K(PtNA+Pniix+Pm+Pfilr+PADC) 口4)
[0114] 其中：Pdac，Pmh，Pfiit，Psy。，PiM，Pm，Padc分别表示数模转化、混合器、发射机端的滤波 器、频率混合器、低噪声放大器、中频放大器、接收机端滤波器W及模数转化所消耗的功率。 在仿真中，每个参数的取值如表格1 ;
[0115] 表格1收发机总固定电路消耗中各参数取值
[0116]
[0117]图3给出了平均能效值与传输功率的比较图。图中分别设置的参数为；丫 = 20地m、e= -20地m，和丫 =10地m、e= -10地m。由图中的两条曲线可W看出随着传输功率 的不断增大，平均能效值不断增大，但当两条曲线的传输功率分别大于等于16地m和26地m 时，平均能效值都不再增大而保持在同一水平线上，意味着此时传输功率不再是影响平均 能效的重要参数。
[011引图4给出了平均能效值与天线数的比较图，图中设置的参数为：丫 = 20地m，e=-20地m，由公式（24)可知收发机总固定电路消耗IVl尋随着天线数的增大而增大。由图 可W看出当天线数Nt从4增大到16的时候，平均能效值不断增大，但当天线数从16增大 到60时，平均能效值却逐渐减小，该意味着当发射机端要采用大规模天线阵列的时候应进 行天线选择才能获得良好的能效性能。
[0119] 通过前面的性能仿真比较，本发明不仅能控制传输功率来实现能效最大化，而且 能够对天线数进行合理选择实现能效最大化，能够在接下来5G技术的大规模天线阵列中 起到重要作用。
[0120] 本发明不仅局限于上述【具体实施方式】，本领域一般技术人员根据本发明公开的内 容，可w采用其它多种具体实施方案实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思 路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护范围。
【主权项】
1. 一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法，其特征在于，包括 如下步骤： (1) 初始化如下变量：信干噪比的约束目标yk，采集功率约束目标ek，k = 1，2,...，K， 每个用户的功率约束目标Pk; (2) 对多用户信能同传干扰系统的能量效率最大化问题进行简化，即将原问题分解成 K个子问题；运用Dinkelbach思想，引入能效变量Tl将非线性分式规划转换成一般的非分 式规划，其中第k个独立子问题如下：O < pk< P kO彡Pk彡I 其中：Pk为用户k的功率分裂因子，K为总的用户数，P。为系统固定总消耗功率， 为天线引入的加性噪声的方差，< 为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起 的加性噪声的方差，^为功率放大器效率，为采集电路单元的能量转化效率，并定义 & ，hkk表示用户k的发射机和接收机之间的共轭信道向量，％表示用户k的最优 迫零预编码方向向量，η表示能效变量； (3) 第k个独立子问题以pk，Pk为未知数，求解每个子问题的最优解pk，P k，即得到 闭式解集合{pk，Pk}，k = 1，2，...，K;通过公式；求得此闭式 解集合对应的能效值η ;基于Dinkelbach迭代思想求得最终能效值η (η)以及相对应的 (4) 计算传输预编码向量，& = U,.../<，用户k的发射机利用Vk对传输信 号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子ΡΓ发送到相应的接收机，每个用户 接收机设定功率分裂因子，完成信能同传干扰系统的收发机设计，可以进行信息与能量的 同时接收。2. 根据权利要求1所述一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方 法，其特征在于，所述K个独立子问题的求解基于Dinkelbach迭代算法，具体包括以下子步 骤： (I. 1)初始化迭代次数η = 1、可行解{ρΓ,并计算出对应的能效值η (η)，其中 分别表示用户k在第η次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子； (1. 2)更新迭代次数η = η+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一维 方程，即：其中： A2^gk-Hdal Bi = 求出对应闭式解集合{pk，p k}，找出满足可行域O彡Pk彡1和I2(Pk)彡P k彡Pk并且 使得目标函·取得最大值时对应的，即为用户k 对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最优解，即可计算此时的能效值η (n)， n(n)可以表示为：(I. 3)判断是否满足迭代条彳彳，ε为判定阈值，若满足条件继续执行步 骤（1. 2)，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的η ω和。
【专利摘要】本发明公开了一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法，该方法的核心思想为：运用Dinkelbach算法将复杂问题进行简化，即将原问题分解成一系列的子问题并且将非线性分数规划转换为一般的非分式规划。最后再利用Dinkelbach算法的迭代思想求出最优的传输预编码和功率分裂因子从而完成多用户信能同传干扰系统的设计，实现该系统下能量效率的最大化。
【IPC分类】H04L25/03
【公开号】CN104901913
【申请号】CN201510259302
【发明人】马也驰, 史清江, 彭成, 徐伟强
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
【技术领域】
[0001] 本发明设及无线通信传输技术，具体为多用户MIS0(MultipleInputSingle Ou化ut)无线信能同传干扰系统下能量效率最大化的收发机设计方法。
【背景技术】
[0002] 目前，通信技术产生的巨大能耗及其产生的环境问题已经成为通信业乃至全社 会关注的焦点。无线电波作为一种潜在的绿色能源，不仅可W传输信息，还能够传输能量。 其中传输的能量是可W有效利用的，在不影响通信服务质量的条件下，最有效地使用传输 能量能够降低整个系统的能耗，提高系统的能量效率。
[0003] 当前很多研究工作集中在无线通信系统的吞吐量最大化，发射功率最小化 或者无线采集能量最大化的研究。其中文献化化i，W.Xu,T.-比化ang，Y.Wangand E.Song,"JointbeamformingandpowersplittingforMISOinterferencechannel withSWIPT:anSOCPrelaxationanddecentralizedalgorithm,"，IEEETrans.Signal Process,vol. 62,no. 23,pp. 6194-6208,Dec. 2014.]和[S.Timotheou,I.Krikidis,G.Zheng andB.Ottersten,"BeamformingforMISOinterferencechannelswithQoSandRF energytransfer, "IEEETrans.WirelessCommun. ,vol. 13,no. 5,pp. 2646-2658,May 2014.]是针对多用户信能同传干扰系统，W传输功率最小化为目标，利用凸松弛技术研究 预编码和功率分裂因子的联合设计方法。然而能量效率，定义为传输每单位比特消耗的能 量（焦耳每比特），也是判断一个系统性能好坏的一个重要评价标准，它是当前及未来绿色 无线通信系统的重点研究方向。因此本发明是针对多用户信能同传干扰系统，W能量效率 最大化为目标，利用Dinke化ach算法研究传输预编码和接收功率分裂因子的联合设计方 法。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的在于针对传统的信能同传干扰系统技术的不足，提出一种基于多用 户信能同传干扰系统能效最大化的收发机设计方法。
[0005] 本发明的目的是通过W下技术方案来实现的；一种基于多用户信能同传干扰系统 能效最大化的收发机设计方法，包括如下步骤：
[000引 （1)初始化如下变量：信干噪比的约束目标丫k，采集功率约束目标6k，k= 1，2, . . .，K，每个用户的功率约束目标Pk;
[0007] (2)对多用户信能同传干扰系统的能量效率最大化问题进行简化，即将原问题分 解成K个子问题；运用Dinke化ach思想，引入能效变量n将非线性分式规划转换成一般的 非分式规划，其中第k个独立子问题如下：
[0008]
[0009] 其中：Pk为用户k的功率分裂因子，K为总的用户数，Pe为系统固定总消耗功 率，为天线引入的加性噪声的方差，逆为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引 起的加性噪声的方差为功率放大器效率，Ck为采集电路单元的能量转化效率，并定义 巧
hkk表示用户k的发射机和接收机之间的共辆信道向量，不t表示用户k的最优 迫零预编码方向向量，n表示能效变量；
[0010] 0)第k个独立子问题WPk，Pk为未知数，求解每个子问题的最优解Pk，Pk，即得
) 到闭式解集合{Pk，PJ，k= 1，2，...，K;通过公式 _.求得此闭式 解集合对应的能效值n;基于Dinke化ach迭代思想求得最终能效值及相对应的 (rf'vr);
[0011] (4)计算传输预编码向量V,, ，A: =l，2，..乂，用户k的发射机利用Vk对传 输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子发送到相应的接收机，每 个用户接收机设定功率分裂因子，完成信能同传干扰系统的收发机设计，可W进行信息与 能量的同时接收。
[0012] 所述K个独立子问题的求解基于Dinke化ach迭代方法，具体包括W下子步骤： [001引（1. 1)初始化迭代次数n= 1、可行解，如并计算出对应的能效值nW，其 中片"1，戶{"分别表示用户k在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子；
[0014] (1. 2)更新迭代次数n=n+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个 一维方程，即；
[0023] 求出对应闭式解集合{Pk，PJ，找出满足可行域0《P1和1 2 (Pk)《Pk《Pk 并且使得目标函数
取得最大值时对应的)，即为用 户k对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最优解，即可计算此时的能效值n(n)，n(n)可賊示为：
[0024]
[0025] (1. 3)判断是否满足迭代条巧
e为判定阔值，若满足条件继续执 行步骤（1.。，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的nh哺侣"，处|}。
[0026] 本发明的有益效果是：本发明将传输波束赋形向量和干扰信道矩阵进行有效的组 合，采用迫零和Dinke化ach算法对原复杂的问题进行了简化。在满足通信服务质量的前提 下，不仅实现了信息和能量的同时传输，更重要的是最大化信能同传干扰系统的能量效率。
【附图说明】
[0027] 图1是本发明一个实施例的系统模型图；
[0028] 图2是本发明一个实施例的关键算法的程序流程图；
[0029] 图3是本发明一个实施例的平均能效与发射功率比较图；
[0030] 图4是本发明一个实施例的平均能效与发射天线数比较图。
【具体实施方式】
[0031] 为了让本发明更加清晰可靠，下文将对本发明的实施方式进行具体阐述。
[0032] 系统的模型如图1所示，考虑一个多用户信能同传干扰系统，在给定的频带带宽W 下，每个用户（Tk)(发送端共K个用户）装有Nt(Nt〉l)个天线供应1个单天线用户（接受 端共K个用户）。让Sj.~CN化1)表示传输符号，Vj.表示预编码（或称波束赋形向量）j= 1，...，K。让hy表示发射机j和接收机k之间的共辆通道向量，那么用户k接受的信号可 W表示为：
[003引
…
[0034] 其中~C'V(0,〇刊表示用户k的天线加性噪声。
[00巧]不同于传统的多用户MIS0系统，每个用户接受到的信号将分裂两部分，一部分用 于信息译码，另一部分用于能量采集。用户k接收到信号按照比例Pk进行分裂，信息译码 部分yf可W表示为：
[0036]
(2)
[0037] 其中。-~CW(0,病-)为射频信号转变为基带信号进行信号处理时造成的加性噪声。
[0038] 另一部分能量采集函数可W表示为：
[0039]
(3)[0040] 因此，用户k的信道译码的信干噪比SINRk可W表示为：
「 1 (4)
[0041]
[0042] 用户k采集的功率Ek可W表示为：
[0043]
C5)
[0044] 其中CkE化U表示能量转化效率。
[0045] 根据香农公式，第k个用户的数据传输速率Rk可W表示为：
[004引 化兰Wlog(l+ 57/V7?,,')，W (6)
[0047] 因此，系统总的数据传输速率R可W表示为：
[0048]
C7)
[0049] 系统的总功耗P,可表示为：
[0050]
( 8、
[0051] 其中第一部分
表示发射机放大器的功率损耗（0 表示放大器的功率 效率），第二部分P。表示接收机信号处理的恒定功率损耗，与第一部分是相互独立的。
[0052] 对于信能同传干扰系统，通信服务质量的要求包括两部分，一部分是为了保证正 常通信需要信干噪比SINRk达到一定的要求，另一部分是采集功率Ek需满足一定的条件。 假设SINRk和Ek的设计目标分别为丫k和6k。为了简化收发器的设计，我们使用最常见的 波束形成方案-迫零处理，即归零多用户干扰信号。在数学上，该个问题可W等效为（忽略 常数W):
[0053]
C9；
[0054] 观察上述问题，很容易发现，该问题为非凸优化问题（包括非凸的目标函数和非 凸的约束集），但是根据问题巧）的迫零约束条件和结构，我们可W利用命题1将问题巧） 进行简化。
[005 引命题 1 ;假走比-，.. .，，A(i-+l)i-，.. .，A思-_，，Uk表不为干扰f曰道矩阵 的 零空间正交基组成的向量，定义和，gk分别为：
[0056]
(10)
[0057] 因此问题（9)可W简化为：
[0058]
[0059] 其中八=不it，A= 1,2,A。 川）
[0060] 很显然，问题（11)是一个非线性分数规划，是很难被解决的。引入能效变量n运 用Dinke化ach算法将问题（11)的目标函数转换成分子、分母相减的形式。因此，目标函数 可转换为：
[0064] n*仅仅是最大的能量效率，设F(n)表示的问题（12)的最佳值。Dinke化ach算 法是一种迭代算法，产生的n收敛于最大的能量效率使得F(nt) =0。其中n值的 获取见图2所示。一旦n收敛，问题（12)将得到解决，也就得到了问题（11)的最优解，从 而实现了能量效率的优化。
[0065] 因此，我们首先需要解决的是问题（12)。不同于问题（11)，问题（12)对于每个用 户都是独立的。也就是说，问题（12)可W被分解成K个子问题，其中第k个子问题可W表 示为：
[0068]
(15)
[0066] U4)
[0067] 为了方便，在解决问题（14)之前我们先 将该问题的前两个条件进行转换，即
[0071]如果将Pk用Pk表示，即Pk(Pk)。问题（14)就变成了带有边界约束条件的单变 量凸问题，其最佳值一定在极值点或者边界值点上。因此，最佳值Pk(Pk)可W是下列四种 情况：
[007引l)Pk(Pk)=Pk;。？k(Pk)= li(Pk) ;3)Pk(Pk)= l2(Pk) ;4)如A-i=Pr(A)，其 中Pr(A)表示问题（14)的目标函数WPk为未知数的极值点。为了解决问题（14)，我们需 要分别讨论Pk，Pk的每一种情况，现总结成W下3种情形：
[007引1)假设片;;'(户,）含."r含niax(/,(A)，/2(八)）（试^为Pk的上边界值），当 A-(A> =Pr=戶*时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0074]
…）
[007引1.1)求戶r(WP巧未知数的极值点），所W令抑公、二0,爲Pk不存在。
[007引1.。求(Pk的上边界值），将问题（14)第2个约束条件转化得：
[007引验证假设条件（^r(A) >片1'">max(/|(A)，/2(八)））是否成立，成立则存在此解，不 成立则忽略此解。
[007引1.如求如"""（Pk的下边界值），将问题（14)第一个约束条件转化得：
[00引]验证假设条件（从(八）^三/，r>max(/|(A)，/2(A)))是否成立，成立则存在此解，不 成立则忽略此解。
[008引 若
，则Pk= 0即Pk不存在。
[008引。假设托(如""'为Pk的下边界值），即化化=pr=ma地的,./:(知)。
[0084] 2. 1)当li(Pk) >l2(Pk) >0 时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0085]
[008引求打^，所W令
'得Pk不存在。
[0087] 2.。当l2(Pk) >li(Pk) >0 时，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[0094] 分别验证假设条件l(l2(Pk) >li(Pk) >0)和假设条件2(兴(A)^/;(A,^fr) 是否成立，成立则存在此解，不成立则忽略此解。
[0097] 因此，目标函数ih(Pk)可W表示为：
[009引
（22)
[0104] 验证假设条件（pf""含货(A)含pP是否成么成立则存在此解，不成立则忽略此 解。
[0105] 将每种情况得到的闭式解（pj和对应的{PkK代到问题（14)中，然后求出使 ih(Pk)取得最大值所对应的（Pk，Pk)，良P为问题（14)所求解，再同理求解其他子问题，最 终得到问题（11)的可行解{Pk，pJ。
[0106] 综上，用户k的发射机利用Vk对传输信号进行预编码，同时通过控制信道将每个 功率分裂因子发送到相应的接收机，使每个用户接收机设定功率分裂因子，达成信息与能 量的同时接收，从而实现了能量效率的最大化。
[0107] 如图2所示，叙述了运用Dinke化ach算法迭代出n值的具体方法，包括W下步 骤：
[010引 （1)初始化迭代次数n= 1、可行解，片i，并计算出对应的能效值nW，其 中分别表示用户k在第n次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子（初始值 nW，n?分别设定为10-3和);
[0109] 似求出对应闭式解集合{Pk，pJ，找出满足可行域0《p1和 max(li(pk)，l2(Pk))《Pk《Pk并且使得目标函数
取得最大 值时对应的(片w，/>r，即为用户k对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最 优解，即可计算此时的能效值nW，nW可W表示为：
[0110]
[0111] (3)判断是否满足迭代条件
e为判定阔值，设定为1(T4,若满足 条件继续执行步骤（1. 2)，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的nW和 修，片1。
[0112]图3和图4是本发明通过Matl油对所设计方案的仿真验证。参数具体设置为： 发送端天线数Nt=8,信息接受者的数量K=4,能量转换系数C =0.65,天线噪声功率 式=-70独W，传输噪声功率《=-40独W，功率放大器效率0=5,带宽W=15KHZ，此 夕K假设所有的信息接收者具有相同的SINRk和Ek的口限值，即丫 1 =…二丫K= 丫和 =…=6K=e。如果不作特殊说明，在仿真中设置总传输功率Pk=40地m，丫 =20地m，e =-20地m。本文的收发机总固定电路消耗P。按如下方式取值；
[01 1 引Pc=Nt(PnAc+Pniix+Pfilt) +2Ps阳+K(PtNA+Pniix+Pm+Pfilr+PADC) 口4)
[0114] 其中：Pdac，Pmh，Pfiit，Psy。，PiM，Pm，Padc分别表示数模转化、混合器、发射机端的滤波 器、频率混合器、低噪声放大器、中频放大器、接收机端滤波器W及模数转化所消耗的功率。 在仿真中，每个参数的取值如表格1 ;
[0115] 表格1收发机总固定电路消耗中各参数取值
[0116]
[0117]图3给出了平均能效值与传输功率的比较图。图中分别设置的参数为；丫 = 20地m、e= -20地m，和丫 =10地m、e= -10地m。由图中的两条曲线可W看出随着传输功率 的不断增大，平均能效值不断增大，但当两条曲线的传输功率分别大于等于16地m和26地m 时，平均能效值都不再增大而保持在同一水平线上，意味着此时传输功率不再是影响平均 能效的重要参数。
[011引图4给出了平均能效值与天线数的比较图，图中设置的参数为：丫 = 20地m，e=-20地m，由公式（24)可知收发机总固定电路消耗IVl尋随着天线数的增大而增大。由图 可W看出当天线数Nt从4增大到16的时候，平均能效值不断增大，但当天线数从16增大 到60时，平均能效值却逐渐减小，该意味着当发射机端要采用大规模天线阵列的时候应进 行天线选择才能获得良好的能效性能。
[0119] 通过前面的性能仿真比较，本发明不仅能控制传输功率来实现能效最大化，而且 能够对天线数进行合理选择实现能效最大化，能够在接下来5G技术的大规模天线阵列中 起到重要作用。
[0120] 本发明不仅局限于上述【具体实施方式】，本领域一般技术人员根据本发明公开的内 容，可w采用其它多种具体实施方案实施本发明。因此，凡是采用本发明的设计结构和思 路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护范围。
【主权项】
1. 一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法，其特征在于，包括 如下步骤： (1) 初始化如下变量：信干噪比的约束目标yk，采集功率约束目标ek，k = 1，2,...，K， 每个用户的功率约束目标Pk; (2) 对多用户信能同传干扰系统的能量效率最大化问题进行简化，即将原问题分解成 K个子问题；运用Dinkelbach思想，引入能效变量Tl将非线性分式规划转换成一般的非分 式规划，其中第k个独立子问题如下：O < pk< P kO彡Pk彡I 其中：Pk为用户k的功率分裂因子，K为总的用户数，P。为系统固定总消耗功率， 为天线引入的加性噪声的方差，< 为射频信号转变为基带信号进行信号处理时引起 的加性噪声的方差，^为功率放大器效率，为采集电路单元的能量转化效率，并定义 & ，hkk表示用户k的发射机和接收机之间的共轭信道向量，％表示用户k的最优 迫零预编码方向向量，η表示能效变量； (3) 第k个独立子问题以pk，Pk为未知数，求解每个子问题的最优解pk，P k，即得到 闭式解集合{pk，Pk}，k = 1，2，...，K;通过公式；求得此闭式 解集合对应的能效值η ;基于Dinkelbach迭代思想求得最终能效值η (η)以及相对应的 (4) 计算传输预编码向量，& = U,.../<，用户k的发射机利用Vk对传输信 号进行预编码，同时通过控制信道将每个功率分裂因子ΡΓ发送到相应的接收机，每个用户 接收机设定功率分裂因子，完成信能同传干扰系统的收发机设计，可以进行信息与能量的 同时接收。2. 根据权利要求1所述一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方 法，其特征在于，所述K个独立子问题的求解基于Dinkelbach迭代算法，具体包括以下子步 骤： (I. 1)初始化迭代次数η = 1、可行解{ρΓ,并计算出对应的能效值η (η)，其中 分别表示用户k在第η次迭代所求得的传输功率和功率分裂因子； (1. 2)更新迭代次数η = η+1，求解第k个子问题，即求解该子问题所对应的四个一维 方程，即：其中： A2^gk-Hdal Bi = 求出对应闭式解集合{pk，p k}，找出满足可行域O彡Pk彡1和I2(Pk)彡P k彡Pk并且 使得目标函·取得最大值时对应的，即为用户k 对应的解，重复该步骤直到所有子问题都找到相应的最优解，即可计算此时的能效值η (n)， n(n)可以表示为：(I. 3)判断是否满足迭代条彳彳，ε为判定阈值，若满足条件继续执行步 骤（1. 2)，即还没有找到最终的能效值；否则跳出循环，输出此时的η ω和。
【专利摘要】本发明公开了一种基于多用户信能同传干扰系统能效最大化收发机设计方法，该方法的核心思想为：运用Dinkelbach算法将复杂问题进行简化，即将原问题分解成一系列的子问题并且将非线性分数规划转换为一般的非分式规划。最后再利用Dinkelbach算法的迭代思想求出最优的传输预编码和功率分裂因子从而完成多用户信能同传干扰系统的设计，实现该系统下能量效率的最大化。
【IPC分类】H04L25/03
【公开号】CN104901913
【申请号】CN201510259302
【发明人】马也驰, 史清江, 彭成, 徐伟强
【申请人】浙江理工大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年5月20日
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