CN104981004B - 基于多用户双向中继系统的收发器能效优化方法及装置 - Google Patents

基于多用户双向中继系统的收发器能效优化方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于多用户双向中继系统的收发器能效优化方法及装置，属于无线通信技术领域；本发明首先通过综合考虑中继器系统的sum‑MSE性能问题和用户节点能耗问题，分别对用户节点预编码器采用OCD方法和中继器波束赋形器采用ADMM算法进行优化设计，获得用户节点预编码矩阵Uk和中继转发矩阵Wr，然后，中继器向用户节点广播所有的预编码矩阵，使各用户节点获知自己的Uk，最后中继器Wr根据进行波束赋形，各用户节点根据自己的Uk进行信息的发送与接收。对比现有技术，本发明实现过程简单、收敛性能良好，可以很好的改善中继系统的能效，降低用户源节点的能耗，让用户源节点工作时间更长久，使双向中继器更加节能。

Description

基于多用户双向中继系统的收发器能效优化方法及装置
技术领域
本发明涉及一种能效优化方法及装置，特别涉及一种基于多用户双向中继系统的收发器能效优化方法及装置，属于无线通信技术领域。
背景技术
随着移动互联网业务的快速增长,以及现代无线通信技术的快速发展,一些新型多媒体应用程序得到广泛使用。为了保证新型多媒体应用的服务质量,下一代无线通信系统要求能够提供更高的频谱效率、以及更广的地域覆盖。传统的蜂窝网络中，无线电传播衰减快，难以实现大覆盖范围；高大建筑物的遮挡会造成盲区，如果通过多个基站部署来消除盲区，增强覆盖，会极大增加布网成本，同时造成了资源浪费。
中继(Relay)技术具有扩大小区覆盖范围，保证链路质量和传输可靠性等优点。同时，研究发现，利用无线信道具有的广播的特点，在无线传输中使用双向中继技术可以大大提高频谱使用效率，双向中继系统在现实应用中具有重要意义。在无线通信中，传统蜂窝网络中引入双向中继系统可以形成无定形的小区，使系统覆盖范围更加灵活，同时提高无线网络的容量及吞吐量，而且具有组网成本低的特点，可以很好的解决传统通信系统面临的覆盖范围及频谱效率的问题。
随着绿色网络的发展,通信网络能效的提高的关注度越来越高。在双向中继系统具有广泛应用前景的情况下，做好双向中继系统的能效优化具有重要意义。在保证双向中继器能耗满足给定条件下，综合考虑了系统性能和用户能耗问题，使双向中继器更加节能，可以更适合未来绿色节能网络。
无线双向中继系统的基本思想是两源节点通过中继节点进行信息的交互。在时隙上双向中继传输分两个时隙,第一个时隙称为多址接入阶段MAC phase,即两源节点同时向中继节点发送各自的信号,中继节点接收到混合的信号。这个时隙中，在源节点端进行预编码矩阵的优化，可以改善系统用户的能耗。第二个时隙称为广播阶段BC phase(Broadcastphase),中继节点将接收信号进行信号处理,将处理后的信号以广播形式发射出去,此时两源节点转为目的节点。这个时隙中，根据用户的信道状况进行中继转发矩阵的优化可以进一步改善系统用户的能耗。
综上所述，在传统蜂窝网络中引入双向中继系统可以很好的解决传统通信系统面临的覆盖范围不够及频谱效率不高的问题。在双向中继系统中，在用户端进行预编码矩阵的优化及在中继端进行中继转发矩阵的优化可以改善双向中继系统的能耗，更适合未来绿色节能网络的理念。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，通过对多天线双向中继系统中收发器的设计以及中继波束赋形的设计，在保证收发器能耗满足给定条件下，综合考虑系统性能和用户能耗问题，使双向中继器更加节能，从而提高通信系统的能效，使中继系统更符合绿色网络的需求。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，包括以下步骤：
步骤1：各源节点接入无线中继网络，向中继器反馈各源节点信道SNR信息；
步骤2：中继器获得各源节点用户信息，根据各源节点信息获得源节点权重参数λk；初始化中继转发矩阵Wr、用户π(j)的预编码矩阵Uπ(j)；测量确定用户K与中继器中间的信道系数矩阵Hkr、中继器与用户π(j)的信道系数矩阵Grπ(j)；根据场景确定上行信道噪声矩阵nr、方差为下行信道噪声矩阵nD，π(j)、方差为
步骤3：中继器确定所有用户接收终端最优滤波矩阵Aj；
步骤4：中继器对各源节点预编码矩阵Uπ(j)进行优化；
基于接收终端滤波矩阵，利用OCD(optimal condition decomposition)方法获得最优源节点发射终端预编码矩阵；
步骤5：中继器对中继端中继转发矩阵Wr进行优化；
基于发射终端预编码矩阵、接收终端滤波矩阵，通过ADMM(AlternatingDirection Method of Multipliers)方法快速求取中继转发矩阵；
步骤6：判断是否达到系统性能需求，如优化目标达到预定目标值，或者系统性能(接收信号均方误差性能或者吞吐量性能)和功率消耗性能分别达到预定需求指标，如果是，转步骤7；否则，中继器更新源节点预编码矩阵和中继转发矩阵参数；重复执行步骤3-6，直至达到系统性能需求；
步骤7：中继器广播各源节点预编码矩阵；同时根据中继转发矩阵进行波束赋形调整；
步骤8：源节点获得各自预编码矩阵，根据预编码矩阵进行信息发送、接收。
一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化装置，包括参数初始化模块、源节点预编码矩阵优化模块、中继器中继转发矩阵优化模块以及优化效果判断控制模块四部分；参数初始化模块分别与源节点预编码矩阵优化模块、中继器中继转发矩阵优化模块连接，源节点预编码矩阵优化模块分别与中继器中继转发矩阵优化模块、优化效果判断控制模块连接，中继器中继转发矩阵优化模块与优化效果判断控制模块连接；
所述参数初始化模块用于根据上述一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法步骤二所述对各参量进行初始化以及步骤三所述确定所有用户接收终端最优滤波矩阵；
所述源节点预编码矩阵优化模块用于根据上述一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法对源节点预编码矩阵进行优化；
所述中继器中继转发矩阵优化模块用于根据上述一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法步骤五所述采用ADMM方法对中继器中继转发矩阵进行优化；
所述优化效果判断控制模块用于判断中继器优化目标是否完成，并在完成情况下通知所有源节点其预编码矩阵，以及根据中继转发矩阵对中继器波束进行赋形调整；在未完成情况下更新源节点预编码矩阵和中继转发矩阵参数，进行新一轮优化。
有益效果
无线双向中继系统中，在源节点端进行预编码矩阵的优化，在中继器端基于ADMM算法的中继转发矩阵的优化具有简单的实现过程并且具有良好的收敛性能，可以很好的改善中继系统的能效，降低用户源节点的能耗，让用户源节点工作时间更长久。在保证双向中继器能耗满足给定条件下，综合考虑了系统性能和用户能耗问题，使双向中继器更加节能，可以更适合未来绿色节能网络。
附图说明
图1为本发明实施例一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法流程示意图；
图2为本发明实施例一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化装置结构示意图；
图3为本发明实施例基于多对MIMO用户的双向中继系统模型；
图4为本发明实施例OCD方法下不同(Mt,d)的均方误差-信噪比曲线图；
图5为发明实施例的能耗曲线对比图；
图6为发明实施例性能曲线对比图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明加以详细说明，同时也叙述了本发明技术方案解决的技术问题及有益效果，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。
实施例1
如图1所示为一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法流程示意图，具体过程如下：
步骤1：用户j接入中继网络，测得所处信道信干噪比SNR(Signal to NoiseRatio)信息，并将SNR信息反馈到中继器；
步骤2：中继器根据用户反馈SNR信息计算获得源节点权重参数λk；初始化中继转发矩阵用户k的预编码矩阵测量确定用户K与中继器中间的信道系数矩阵Hkr、中继器与用户π(j)的信道系数矩阵根据场景确定上行信道噪声矩阵方差为下行信道噪声矩阵方差为
其中，k,π(j)∈[1，N]，d为用户发送的数据流数，Mt为源节点发射天线数，Mr为中继器接收天线数，Md为中继器发射天线数，N表示用户数目，取
步骤3：中继器确定所有用户接收终端最优滤波矩阵Aj；
用户j的滤波矩阵Aj：
式中：I为单位矩阵，(·)H表示共轭转置，A-1表示矩阵A的逆矩阵。
步骤4：中继器对各源节点预编码矩阵Uk进行优化；
基于接收终端滤波矩阵，利用OCD方法求取发射终端预编码矩阵；
关于Uk的优化问题，设计的思想是综合考虑接收信号的均方误差MSE(MeanSquared Error)性能以及终端的能耗问题；具体数学表示如下：
其中：
Tr(·)表示矩阵的迹，||·||F表示矩阵的Frobenius范数，为约束条件的拉格朗日乘子，的上划线表示a是已知的(即初始值或者上一次迭代过程结果值)，Pmax表示中继器的最大发射功率。中继器对Uk的优化步骤如下：
1、Wr，Ak，λk，不变，
2、Repeat:
3、选择β k和使得：
4、Repeat:
5、选择δ k和使得：
6、Repeat:
If hk＜1,δ k←δk；
Else
7、Until
8、If
Else p k←βk
9、Until
10、更新
11、Until 近乎恒定.
依次求解所有K个用户的预编码矩阵Uk。上述问题获得的最终即为OCD优化解。
步骤5：中继器对中继端中继转发矩阵Wr进行优化。
基于发射终端预编码矩阵、接收终端滤波矩阵，通过ADMM方法求取中继转发矩阵。
中继器波束赋形器的优化问题即为优化关于Wr的目标函数问题。构建关于Wr的优化目标函数的数学表达式为：
其中：
根据ADMM方法简化上述优化问题为：
s.t.Tr(LγLH)≤Pmax
其中，ρ是惩罚参数，ρ＞0取ρ＝1；L为Wr的引入参数，初始时L＝Wr；Λ是约束条件Wr-L＝0的拉格朗日乘数，其初始值为单位矩阵；
中继器对中继转发矩阵Wr的优化过程如下：
1、令ADMM方法中的迭代次数初始值为n＝0；
2、更新Wr：
由vec(Wr)重构Wr。
3、更新L：
通过二分法调整参数α，得到参数l，在满足约束条件前提下，找到最小的l，最小的l为vec(L)，通过vec(L)重构L。
这里l＝(I+αΦ)-1c(n)，
4、更新拉格朗日乘子Λ：Λ(n+1)＝Λ(n)+(Wr (n+1)-L(n+1))；
5、n＝n+1；
6、重复执行2-4，直至优化目标Wr基本不变。上述问题获得的最
终Wr即为中继转发矩阵优化解。
步骤6：判断是否达到系统性能需求，将源节点滤波矩阵Aj、源节点预编码矩阵Uk和中继转发矩阵Wr带入目标函数值将目标函数值与阈值Q进行比较。如果目标函数值大于阈值Q，则完成优化；否则，中继器更新源节点滤波矩阵Aj、源节点预编码矩阵Uk和中继转发矩阵Wr，重复执行步骤4-6，直至达到系统性能需求；其中，通过下式计算：
步骤7：中继器广播各源节点预编码矩阵Uk；同时根据中继转发矩阵Wr进行波束赋形调整；
步骤8：源节点获得各自预编码矩阵，根据预编码矩阵进行信息发送、接收。
实施例2
如图2所示为一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化装置结构示意图，从图中可以看出，该装置包括参数初始化模块、源节点预编码矩阵优化模块、中继器中继转发矩阵优化模块以及优化效果判断控制模块四部分。
参数初始化模块用于各参量的初始化：根据源节点反馈SNR信息确定源节点权重参数λk，初始化源节点预编码矩阵Uπ(j)、中继转发矩阵Wr，上行信道噪声矩阵nr、方差为下行信道噪声矩阵nD，π(j)、方差为计算用户K与中继器中间的信道系数矩阵Hkr，中继器与用户π(j)的信道系数矩阵Grπ(j)；根据实施例1步骤3所述内容确定用户接收终端最优滤波矩阵Aj。
源节点预编码矩阵优化模块用于源节点预编码矩阵Uπ(j)的优化。源节点预编码矩阵优化模块接收参数初始化模块生成的各参量，利用OCD算法对源节点预编码矩阵进行优化。
中继器中继转发矩阵优化模块用于中继器中继转发矩阵Wr的优化。中继器中继转发矩阵优化模块接收参数初始化模块及源节点预编码矩阵优化模块各参量，利用ADMM算法对中继器中继转发矩阵进行优化。
优化效果判断控制模块用于判断中继器优化目标的完成状况。优化效果判断模块将优化后的源节点预编码矩阵和中继器中继转发矩阵带入目标函数值将目标函数值与阈值Q进行比较；如果目标函数值大于阈值Q，则完成优化；否则，中继器更新源节点预编码矩阵和中继转发矩阵参数，进行新一轮优化，直至达到系统性能需求；其中，
实验结果
如图3所示为本实施例基于多对MIMO用户的双向中继系统模型，下面以包含N个用户和一个中继节点的通信系统为例对本发明方法进行详细说明：用户配置有Mt个天线，中继器配置有Mr个接收天线和Md个发送天线。用户i向用户π(i)发送d个独立数据流。用户k与中继器间的信道系数矩阵为噪声的均值为0、方差为中继器与用户π(j)的信道系数为噪声的均值为0、方差为中继转发矩阵为
实验基本方针参数如下
图4为本发明实施例OCD方法下不同(Mt,d)下的均方误差性能表现示意图。从图中可以看出，Mt数值相同时，d数值越小均方误差越小；d数值相同时，Mt数值越大，均方误差越小。即在更多发射天线、更少数据流情况下，均方误差的性能更好。图3给出了本发明实施例在不同信噪比(SNR)情况下均方误差与能效表现。为了论证本发明方法(proposedalgorithm)的能效表现，此处选择一种不考虑能耗的最小均方误差算法(MSEminimization with OCD algorithm)作为对比。从图5中可知，能耗和均方误差性能之间存在权衡。在同等信噪比情况下(同顺序点信噪比相同)，本发明方法可以在很小均方误差代价下节约大量能耗。图6所示为本发明方法与传统的均衡能量分配方案(Equal powerallocation)性能曲线对比示意图。在均等能量分配方案中，用户与中继器之间的波束赋形矩阵正比于单位矩阵，并且和本专利提出的方法在总能耗上相等。随着信噪比的增加，本专利提出的方法性能明显优于均等能量分配方案。此外，在中继器端的波束赋形优化方案(Proposed relay algorithm only)的性能表现要优于在用户端的预编码方案(Proposedsource algorithm only)。这是因为，中继器是系统模型的控制端，它可以同时获得不同用户的所有信息。综上，在中继器端的波束赋形设计可以获得良好的性能表现。
本发明考虑了多对用户双向中继系统收发器的节能设计和中继器的波束赋形设计。用户和中继器都配置有多天线。与现存研究不同，本发明同时考虑了sum-MSE问题和用户能耗问题，中继器更加节能，更适合未来绿色节能网络。基于OCD算法下，用户端的能耗优化的预编码器的设计与信息的传输相独立。本专利提出的中继器端的基于ADMM算法的波束赋形算法具有更简单的实现过程并且具有良好的收敛性能。
以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和优点益处都进行了进一步的详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、各源节点接入无线中继网络，向中继器反馈各源节点信道SNR信息；
步骤2、中继器获得各源节点用户信息，根据各源节点信息获得源节点权重参数λk；初始化中继转发矩阵Wr、用户π(j)的预编码矩阵Uπ(j)；测量确定用户K与中继器中间的信道系数矩阵Hkr、中继器与用户π(j)的信道系数矩阵Grπ(j)；根据场景确定上行信道噪声矩阵nr、方差为下行信道噪声矩阵nD，π(j)、方差为
其中，k，π(j)∈[1，N]，N表示用户数目，D表示下行信道；
步骤3、中继器根据下式计算所有用户接收终端最优滤波矩阵Aj：
<mrow> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>A</mi> <mi>j</mi> </msub> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>U</mi> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mi>r</mi> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>r</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <mo>(</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mi>r</mi> <mn>2</mn> </msubsup> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mi>r</mi> </msub> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>r</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mo>+</mo> <msubsup> <mi>&amp;sigma;</mi> <mrow> <mi>D</mi> <mo>,</mo> <mi>&amp;pi;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mn>2</mn> </msubsup> <mi>I</mi> <mo>+</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>k</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mi>k</mi> <mo>&amp;NotEqual;</mo> <mi>j</mi> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>W</mi> <mi>r</mi> </msub> <msub> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>r</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>U</mi> <mi>k</mi> </msub> <msubsup> <mi>U</mi> <mi>k</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>H</mi> <mrow> <mi>k</mi> <mi>r</mi> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>W</mi> <mi>r</mi> <mi>H</mi> </msubsup> <msubsup> <mi>G</mi> <mrow> <mi>r</mi> <mi>j</mi> </mrow> <mi>H</mi> </msubsup> <msup> <mo>)</mo> <mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </msup> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> <mo>;</mo> </mrow>
式中，I表示单位矩阵，(·)H表示共轭转置，A-1表示矩阵A的逆矩阵；
步骤4、中继器对各源节点预编码矩阵Uπ(j)采用OCD方法进行优化，其中OCD方法为最优条件分解方法，英文全称为optimal condition decomposition；
步骤5、中继器对中继端中继转发矩阵Wr采用ADMM方法进行优化；
步骤6、判断是否达到系统性能需求，如果是，转步骤7；否则，中继器更新源节点预编码矩阵和中继转发矩阵参数，重复执行步骤3-6，直至达到系统性能需求；
步骤7、中继器广播各源节点预编码矩阵；同时根据中继转发矩阵进行波束赋形调整；
步骤8：源节点获得各自预编码矩阵，根据预编码矩阵进行信息发送、接收。
2.根据权利要求1所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于：步骤2所述
3.根据权利要求1所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于：步骤4所述预编码矩阵的优化目标如下式所示：
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其中：
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Tr(·)表示矩阵的迹，||·||F表示矩阵的Frobenius范数，为约束条件的拉格朗日乘子，的上划线表示a是已知的，Pmax表示中继器的最大发射功率。
4.根据权利要求1所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于：步骤5所述中继转发矩阵的优化目标如下式所示：
其中：
ρ是惩罚参数，ρ＞0；L为Wr的引入参数，初始时L＝Wr；Λ是约束条件Wr-L＝0的拉格朗日乘数，其初始值为单位矩阵，Pmax表示中继器的最大发射功率。
5.根据权利要求4所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于：ρ＝1。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法，其特征在于：步骤6所述判断是否达到系统性能需求为根据下式计算目标函数值T：
其中，通过下式计算：
并将T与预设的阈值Q进行比较。
7.一种使用如权利要求1-6任一所述的一种基于多用户双向中继系统的收发器的能效优化方法的装置，其特征在于：包括参数初始化模块、源节点预编码矩阵优化模块、中继器中继转发矩阵优化模块以及优化效果判断控制模块四部分；参数初始化模块分别与源节点预编码矩阵优化模块、中继器中继转发矩阵优化模块连接，源节点预编码矩阵优化模块分别与中继器中继转发矩阵优化模块、优化效果判断控制模块连接，中继器中继转发矩阵优化模块与优化效果判断控制模块连接；
所述参数初始化模块用于根据步骤二所述对各参量进行初始化以及根据步骤三所述确定所有用户接收终端最优滤波矩阵；
所述源节点预编码矩阵优化模块用于根据步骤四所述采用OCD方法对源节点预编码矩阵进行优化；
所述中继器中继转发矩阵优化模块用于根据步骤五所述采用ADMM方法对中继器中继转发矩阵进行优化；
所述优化效果判断控制模块用于判断中继器优化目标是否完成，并在完成情况下通知所有源节点其预编码矩阵，以及根据中继转发矩阵对中继器波束进行赋形调整；在未完成情况下更新源节点预编码矩阵和中继转发矩阵参数，进行新一轮优化。
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