將該問題的前兩個條件進(jìn)行轉(zhuǎn)換，即
[0071]如果將Pk用Pk表示，即Pk(Pk)。問題（14)就變成了帶有邊界約束條件的單變 量凸問題，其最佳值一定在極值點或者邊界值點上。因此，最佳值Pk(Pk)可W是下列四種 情況：
[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)表示問題（14)的目標(biāo)函數(shù)WPk為未知數(shù)的極值點。為了解決問題（14)，我們需 要分別討論P(yáng)k，Pk的每一種情況，現(xiàn)總結(jié)成W下3種情形：
[007引1)假設(shè)片;;'(戶,）含."r含niax(/,(A)，/2(八)）（試^為Pk的上邊界值），當(dāng) A-(A> =Pr=戶*時，目標(biāo)函數(shù)ih(Pk)可W表示為：
[0074]
…）
[007引1.1)求戶r(WP巧未知數(shù)的極值點），所W令抑公、二0,爲(wèi)Pk不存在。
[007引1.。求(Pk的上邊界值），將問題（14)第2個約束條件轉(zhuǎn)化得：
[007引驗證假設(shè)條件（^r(A) >片1'">max(/|(A)，/2(八)））是否成立，成立則存在此解，不 成立則忽略此解。
[007引1.如求如"""（Pk的下邊界值），將問題（14)第一個約束條件轉(zhuǎn)化得：
[00引]驗證假設(shè)條件（從(八）^三/，r>max(/|(A)，/2(A)))是否成立，成立則存在此解，不 成立則忽略此解。
[008引 若
，則Pk= 0即Pk不存在。
[008引。假設(shè)托(如""'為Pk的下邊界值），即化化=pr=ma地的,./:(知)。
[0084] 2. 1)當(dāng)li(Pk) >l2(Pk) >0 時，目標(biāo)函數(shù)ih(Pk)可W表示為：
[0085]
[008引求打^，所W令
'得Pk不存在。
[0087] 2.。當(dāng)l2(Pk) >li(Pk) >0 時，目標(biāo)函數(shù)ih(Pk)可W表示為：
[0094] 分別驗證假設(shè)條件l(l2(Pk) >li(Pk) >0)和假設(shè)條件2(興(A)^/;(A,^fr) 是否成立，成立則存在此解，不成立則忽略此解。
[0097] 因此，目標(biāo)函數(shù)ih(Pk)可W表示為：
[009引
（22)
[0104] 驗證假設(shè)條件（pf""含貨(A)含pP是否成么成立則存在此解，不成立則忽略此 解。
[0105] 將每種情況得到的閉式解（pj和對應(yīng)的{PkK代到問題（14)中，然后求出使 ih(Pk)取得最大值所對應(yīng)的（Pk，Pk)，良P為問題（14)所求解，再同理求解其他子問題，最 終得到問題（11)的可行解{Pk，pJ。
[0106] 綜上，用戶k的發(fā)射機(jī)利用Vk對傳輸信號進(jìn)行預(yù)編碼，同時通過控制信道將每個 功率分裂因子發(fā)送到相應(yīng)的接收機(jī)，使每個用戶接收機(jī)設(shè)定功率分裂因子，達(dá)成信息與能 量的同時接收，從而實現(xiàn)了能量效率的最大化。
[0107] 如圖2所示，敘述了運用Dinke化ach算法迭代出n值的具體方法，包括W下步 驟：
[010引 （1)初始化迭代次數(shù)n= 1、可行解，片i，并計算出對應(yīng)的能效值nW，其 中分別表示用戶k在第n次迭代所求得的傳輸功率和功率分裂因子（初始值 nW，n?分別設(shè)定為10-3和);
[0109] 似求出對應(yīng)閉式解集合{Pk，pJ，找出滿足可行域0《p1和 max(li(pk)，l2(Pk))《Pk《Pk并且使得目標(biāo)函數(shù)
取得最大 值時對應(yīng)的(片w，/>r，即為用戶k對應(yīng)的解，重復(fù)該步驟直到所有子問題都找到相應(yīng)的最 優(yōu)解，即可計算此時的能效值nW，nW可W表示為：
[0110]
[0111] (3)判斷是否滿足迭代條件
e為判定闊值，設(shè)定為1(T4,若滿足 條件繼續(xù)執(zhí)行步驟（1. 2)，即還沒有找到最終的能效值；否則跳出循環(huán)，輸出此時的nW和 修，片1。
[0112]圖3和圖4是本發(fā)明通過Matl油對所設(shè)計方案的仿真驗證。參數(shù)具體設(shè)置為： 發(fā)送端天線數(shù)Nt=8,信息接受者的數(shù)量K=4,能量轉(zhuǎn)換系數(shù)C =0.65,天線噪聲功率 式=-70獨W，傳輸噪聲功率《=-40獨W，功率放大器效率0=5,帶寬W=15KHZ，此 夕K假設(shè)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。如果不作特殊說明，在仿真中設(shè)置總傳輸功率Pk=40地m，丫 =20地m，e =-20地m。本文的收發(fā)機(jī)總固定電路消耗P。按如下方式取值；
[01 1 引Pc=Nt(PnAc+Pniix+Pfilt) +2Ps陽+K(PtNA+Pniix+Pm+Pfilr+PADC) 口4)
[0114] 其中：Pdac，Pmh，Pfiit，Psy。，PiM，Pm，Padc分別表示數(shù)模轉(zhuǎn)化、混合器、發(fā)射機(jī)端的濾波 器、頻率混合器、低噪聲放大器、中頻放大器、接收機(jī)端濾波器W及模數(shù)轉(zhuǎn)化所消耗的功率。 在仿真中，每個參數(shù)的取值如表格1 ;
[0115] 表格1收發(fā)機(jī)總固定電路消耗中各參數(shù)取值
[0116]
[0117]圖3給出了平均能效值與傳輸功率的比較圖。圖中分別設(shè)置的參數(shù)為；丫 = 20地m、e= -20地m，和丫 =10地m、e= -10地m。由圖中的兩條曲線可W看出隨著傳輸功率 的不斷增大，平均能效值不斷增大，但當(dāng)兩條曲線的傳輸功率分別大于等于16地m和26地m 時，平均能效值都不再增大而保持在同一水平線上，意味著此時傳輸功率不再是影響平均 能效的重要參數(shù)。
[011引圖4給出了平均能效值與天線數(shù)的比較圖，圖中設(shè)置的參數(shù)為：丫 = 20地m，e=-20地m，由公式（24)可知收發(fā)機(jī)總固定電路消耗IVl尋隨著天線數(shù)的增大而增大。由圖 可W看出當(dāng)天線數(shù)Nt從4增大到16的時候，平均能效值不斷增大，但當(dāng)天線數(shù)從16增大 到60時，平均能效值卻逐漸減小，該意味著當(dāng)發(fā)射機(jī)端要采用大規(guī)模天線陣列的時候應(yīng)進(jìn) 行天線選擇才能獲得良好的能效性能。
[0119] 通過前面的性能仿真比較，本發(fā)明不僅能控制傳輸功率來實現(xiàn)能效最大化，而且 能夠?qū)μ炀€數(shù)進(jìn)行合理選擇實現(xiàn)能效最大化，能夠在接下來5G技術(shù)的大規(guī)模天線陣列中 起到重要作用。
[0120] 本發(fā)明不僅局限于上述【具體實施方式】，本領(lǐng)域一般技術(shù)人員根據(jù)本發(fā)明公開的內(nèi) 容，可w采用其它多種具體實施方案實施本發(fā)明。因此，凡是采用本發(fā)明的設(shè)計結(jié)構(gòu)和思 路，做一些簡單的變化或更改的設(shè)計，都落入本發(fā)明保護(hù)范圍。
【主權(quán)項】
1. 一種基于多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)能效最大化收發(fā)機(jī)設(shè)計方法，其特征在于，包括 如下步驟： (1) 初始化如下變量：信干噪比的約束目標(biāo)yk，采集功率約束目標(biāo)ek，k = 1，2,...，K， 每個用戶的功率約束目標(biāo)Pk; (2) 對多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)的能量效率最大化問題進(jìn)行簡化，即將原問題分解成 K個子問題；運用Dinkelbach思想，引入能效變量Tl將非線性分式規(guī)劃轉(zhuǎn)換成一般的非分 式規(guī)劃，其中第k個獨立子問題如下：O < pk< P kO彡P(guān)k彡I 其中：Pk為用戶k的功率分裂因子，K為總的用戶數(shù)，P。為系統(tǒng)固定總消耗功率， 為天線引入的加性噪聲的方差，< 為射頻信號轉(zhuǎn)變?yōu)榛鶐盘栠M(jìn)行信號處理時引起 的加性噪聲的方差，^為功率放大器效率，為采集電路單元的能量轉(zhuǎn)化效率，并定義 & ，hkk表示用戶k的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的共軛信道向量，％表示用戶k的最優(yōu) 迫零預(yù)編碼方向向量，η表示能效變量； (3) 第k個獨立子問題以pk，Pk為未知數(shù)，求解每個子問題的最優(yōu)解pk，P k，即得到 閉式解集合{pk，Pk}，k = 1，2，...，K;通過公式；求得此閉式 解集合對應(yīng)的能效值η ;基于Dinkelbach迭代思想求得最終能效值η (η)以及相對應(yīng)的 (4) 計算傳輸預(yù)編碼向量，& = U,.../<，用戶k的發(fā)射機(jī)利用Vk對傳輸信 號進(jìn)行預(yù)編碼，同時通過控制信道將每個功率分裂因子ΡΓ發(fā)送到相應(yīng)的接收機(jī)，每個用戶 接收機(jī)設(shè)定功率分裂因子，完成信能同傳干擾系統(tǒng)的收發(fā)機(jī)設(shè)計，可以進(jìn)行信息與能量的 同時接收。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述一種基于多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)能效最大化收發(fā)機(jī)設(shè)計方 法，其特征在于，所述K個獨立子問題的求解基于Dinkelbach迭代算法，具體包括以下子步 驟： (I. 1)初始化迭代次數(shù)η = 1、可行解{ρΓ,并計算出對應(yīng)的能效值η (η)，其中 分別表示用戶k在第η次迭代所求得的傳輸功率和功率分裂因子； (1. 2)更新迭代次數(shù)η = η+1，求解第k個子問題，即求解該子問題所對應(yīng)的四個一維 方程，即：其中： A2^gk-Hdal Bi = 求出對應(yīng)閉式解集合{pk，p k}，找出滿足可行域O彡P(guān)k彡1和I2(Pk)彡P(guān) k彡P(guān)k并且 使得目標(biāo)函·取得最大值時對應(yīng)的，即為用戶k 對應(yīng)的解，重復(fù)該步驟直到所有子問題都找到相應(yīng)的最優(yōu)解，即可計算此時的能效值η (n)， n(n)可以表示為：(I. 3)判斷是否滿足迭代條彳彳，ε為判定閾值，若滿足條件繼續(xù)執(zhí)行步 驟（1. 2)，即還沒有找到最終的能效值；否則跳出循環(huán)，輸出此時的η ω和。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)能效最大化收發(fā)機(jī)設(shè)計方法，該方法的核心思想為：運用Dinkelbach算法將復(fù)雜問題進(jìn)行簡化，即將原問題分解成一系列的子問題并且將非線性分?jǐn)?shù)規(guī)劃轉(zhuǎn)換為一般的非分式規(guī)劃。最后再利用Dinkelbach算法的迭代思想求出最優(yōu)的傳輸預(yù)編碼和功率分裂因子從而完成多用戶信能同傳干擾系統(tǒng)的設(shè)計，實現(xiàn)該系統(tǒng)下能量效率的最大化。
【IPC分類】H04L25/03
【公開號】CN104901913
【申請?zhí)枴緾N201510259302
【發(fā)明人】馬也馳, 史清江, 彭成, 徐偉強(qiáng)
【申請人】浙江理工大學(xué)
【公開日】2015年9月9日
【申請日】2015年5月20日