一種多用戶認(rèn)知mimo干擾信道分布式能效優(yōu)化方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道分布式能 效優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道系統(tǒng)能夠在現(xiàn)有的固定式頻譜分配方案且不增加系統(tǒng) 帶寬的情況下，提高頻譜效率，解決頻譜資源匿乏的問題。隨著近年來智能設(shè)備的爆發(fā)式增 長W及有限的不可再生能源價格的持續(xù)攀升，政府、學(xué)術(shù)W及產(chǎn)業(yè)界開始了能夠?qū)崿F(xiàn)綠色 通信的能效方法研究，W使未來的無線通信能夠走可持續(xù)發(fā)展道路。對多用戶認(rèn)知MIMO干 擾信道系統(tǒng)進(jìn)行能效優(yōu)化，不但能夠減輕認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶的干擾，而且能夠在提高系 統(tǒng)頻譜效率的同時，還能夠提高系統(tǒng)能量效率。
[0003] 現(xiàn)有技術(shù)中，G. Scu化ri等人針對多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道系統(tǒng)，W每個用戶的速 率最大化為優(yōu)化目標(biāo)建立非合作博弈模型，提出完全異步式分布算法并證明納什均衡的存 在性。為了提高多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道系統(tǒng)的能效，X.Zhang等人利用擴展拉格朗日乘子 方法解決優(yōu)化子問題進(jìn)而提出基于Dinke化ach的分布式能效優(yōu)化算法。
[0004] X.Zhang等人為解決多目標(biāo)多限制條件的優(yōu)化子問題時使用擴展拉格朗日乘子方 法，該方法雖然可W去掉所有認(rèn)知用戶由于干擾限制條件而產(chǎn)生的禪合關(guān)系，但是該算法 只有在算法收斂時初始變量才是可行解，運樣會造成在迭代過程中認(rèn)知用戶對授權(quán)用戶產(chǎn) 生的干擾違背干擾闊值。為進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，本發(fā)明提出一種多用戶認(rèn)知MIMO干擾信 道分布式能效優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提出一種多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道分布 式能效優(yōu)化方法。
[0006] 本發(fā)明提出的一種多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道下分布式能效優(yōu)化方法包括W下步 驟：
[0007] 步驟SI:根據(jù)多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道系統(tǒng)中認(rèn)知用戶的功率限制和干擾闊值限 制建立認(rèn)知用戶能效最大化目標(biāo)函數(shù)，W使每個認(rèn)知用戶的能效最大化；
[000引步驟S2:對所述認(rèn)知用戶能效最大化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行等式轉(zhuǎn)換，得到認(rèn)知用戶等效 能效最大化目標(biāo)函數(shù)；
[0009] 步驟S3:去除所述認(rèn)知用戶等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)中所有認(rèn)知用戶由于干擾闊 值限制而產(chǎn)生的禪合關(guān)系，得到認(rèn)知用戶去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)；
[0010] 步驟S4:利用拉格朗日方法去除所述認(rèn)知用戶去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)中 的限制條件，得到認(rèn)知用戶擴展式去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)；
[0011] 步驟S5 :對于所述認(rèn)知用戶擴展式去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行矩陣處 理，得到認(rèn)知用戶的最優(yōu)功率值，進(jìn)而得到認(rèn)知用戶的最優(yōu)能效值。
[001^ 可選地，所述步驟SI中，認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Ta的發(fā)送功率限審懷示為：
[OOU] Pk =化（QkH Pt,
[0014] 其中，Tr(?)表示對?進(jìn)行跡運算，Qa=腦(xptf)表示認(rèn)知用戶k發(fā)送端洲-TXk的 發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，（.）H表示.的化rmitian轉(zhuǎn)置，昭(*)表示對.求期望，Pt表示認(rèn)知用 戶的發(fā)送功率闊值。
[0015] 可選地，所述干擾闊值限制為所有認(rèn)知用戶受到授權(quán)用戶設(shè)置的總溫度干擾闊值 限制：
[0017] 其中，K表示認(rèn)知用戶的對數(shù)，GfeCWxW表示從認(rèn)知用戶k的發(fā)送端洲-TXk到授 權(quán)用戶的接收端PU-fcc的信道矩陣，Qi=胚(XfXf)表示認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-TXk的發(fā)送信號 Xk的協(xié)方差，（?）H表不?的Hermitian轉(zhuǎn)置，Pthreshoid表不授權(quán)用戶設(shè)置的總溫度干擾闊值。
[0018] 可選地，所述認(rèn)知用戶能效最大化目標(biāo)函數(shù)表示為： 例嚴(yán)滬邸《化，Q-;-)，
[0019] 也此吐 ， s.t. Q, sQ.,
[0020] 其中，(巧表示非合作博弈，6=(]，…如…，K}表示認(rèn)知用戶數(shù)目集合，EEk(Qk， Q-k)表示認(rèn)知用戶k的能效：
表示認(rèn)知用戶k的 數(shù)據(jù)傳輸速率，Qk表示認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Txk的發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，Q-k= {Qi，…，Qk-I， Qk+i，…，Qd表示除認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-TXk的發(fā)送信號協(xié)方差W外其它所有認(rèn)知用戶的發(fā) 送信號協(xié)方差的集合，Pk表示認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-TXk的總發(fā)送功率，Pc表示電路功率，:?. 為認(rèn)知用戶的策略集合：
表示M 行M列的復(fù)矩陣，Pt表示認(rèn)知用戶的發(fā)送功率闊值，表示從認(rèn)知用戶k的發(fā)送端 SU-Txk到授權(quán)用戶的接收端PU-Rx的信道矩陣，Pthreshuld表示授權(quán)用戶設(shè)置的總溫度干擾闊 值。
[0021] 可選地，所述認(rèn)知用戶等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)表示為：
[0023] 其中，…乂，…，欠表示認(rèn)知用戶數(shù)目集合，Ck(Qk，Q-k)表示認(rèn)知用戶k的數(shù) 據(jù)傳輸速率，Qk表不認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Txk的發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，Q-k = {Qi,…，Qk-I, Qk+1，…，Qd表示除認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Txk的發(fā)送信號協(xié)方差W外其它所有認(rèn)知用戶的發(fā) 送信號協(xié)方差的集合，I；表示最優(yōu)能效，Pe表示電路功率，馬為認(rèn)知用戶的策略集合：
表示M行M列的復(fù)矩陣，Pt表示發(fā) 送功率闊值，表示從認(rèn)知用戶k的發(fā)送端SU-TXk到授權(quán)用戶的接收端PU-Rx的信 道矩陣，Pthreshold表不授權(quán)用戶設(shè)置的總溫度干擾闊值。
[0024]可選地，所述認(rèn)知用戶等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)換為：
[0026] 其中，Tf表示認(rèn)知用戶k在內(nèi)層循環(huán)的最后一次能效更新值。
[0027] 可選地，所述認(rèn)知用戶去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)表示為：
[0029]其中，表示每個認(rèn)知用戶發(fā)送端所受到的溫度干擾闊值變量的集合， E二{1，;。..采，;隸示認(rèn)知用戶數(shù)目集合，Pthreshold表示授權(quán)用戶設(shè)置
[0031]的總溫度干擾闊值，以.Tr(Qt) <巧，Ie色
[00 創(chuàng) Tr(G 化 Gf)<SLh',,(,，/tEE ，
[0033] Ck(Qk，Q-k)表示認(rèn)知用戶k的數(shù)據(jù)傳輸速率，lfl"表示認(rèn)知用戶k在內(nèi)層循環(huán)的最后 一次能效更新值，Qk表不認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Txk的發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，Q-k= {Qi,…，Qk-I， Qk+i，…，Qd表示除認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Txk的發(fā)送信號協(xié)方差W外其它所有認(rèn)知用戶的發(fā) 送信號協(xié)方差的集合，Pc表示電路功率，Pt表示認(rèn)知用戶的發(fā)送功率闊值，E 表示 從認(rèn)知用戶k的發(fā)送端SU-TXk到授權(quán)用戶的接收端PU-Rx的信道矩陣。
[0034] 可選地，所述步驟4中，對于所述認(rèn)知用戶去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)，利用 拉格朗日方法對限制條件引入拉格朗日變量將其轉(zhuǎn)化為不含有限制條件的多目標(biāo)優(yōu)化問 題，即得到認(rèn)知用戶擴展式去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)。
[0035] 可選地，所述認(rèn)知用戶擴展式去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)表 示為：
[0037] 其中，€ CWW表示從認(rèn)知用戶k的發(fā)送端SU-Tx翊其目的接收端SU-Rxk的信 道矩陣，R--A = I + ZHy-Q.,巧表示認(rèn)知用巧的接收端洲-Rx設(shè)到的來自其它認(rèn)知用 '的;. 戶的干擾W及噪聲，e CWxW表示從認(rèn)知用戶j的發(fā)送端SU-Tx測認(rèn)知用戶k的接收端 SU-Txk的信道矩陣，Qk表示認(rèn)知用戶k發(fā)送端SU-Ta的發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，T k表示認(rèn)知用 戶k的能效值，iik是限制條件Tr (Qk) < Pt的拉格朗日乘子，Vk是限制條件 Tr(G化Gf )含靖'eshdd的拉格朗日乘子，Pt表示認(rèn)知用戶發(fā)送功率闊值，Qk表示認(rèn)知用戶 k發(fā)送端SU-TXk的發(fā)送信號Xk的協(xié)方差，EH 1，…次，…，K}表示認(rèn)知用戶數(shù)目集合， ftLsMd表示第k個i人知用戶受到自勺溫度干擾I罰值。
[0038] 可選地，所述步驟S5中，利用矩陣分解理論，將不含有限制條件的多目標(biāo)優(yōu)化問 題，即認(rèn)知用戶擴展式去禪合等效能效最大化目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行矩陣化簡，經(jīng)過凸優(yōu)化計算得 到認(rèn)知用戶的最優(yōu)功率值，進(jìn)而得到認(rèn)知用戶的最優(yōu)能效值。
[0039] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明針對多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道中的能效優(yōu)化問題，建立 非合作博弈模型W使每個認(rèn)知用戶的能效最大化，將多目標(biāo)多限制條件的分式優(yōu)化問題通 過恒等變形為多目標(biāo)多限制條件的等式優(yōu)化問題。利用原始分解方法，通過引入額外變量 去除所有認(rèn)知用戶由于干擾闊值限制而產(chǎn)生的禪合關(guān)系。利用拉格朗日方法對限制條件引 入拉格朗日變量將去除禪合關(guān)系后的多目標(biāo)多限制條件優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為不含有限制條件 的多目標(biāo)優(yōu)化問題。并根據(jù)矩陣分解理論，將不含有限制條件的多目標(biāo)優(yōu)化問題進(jìn)行矩陣 化簡，經(jīng)過凸優(yōu)化計算得到認(rèn)知用戶的最優(yōu)功率值，進(jìn)而得到認(rèn)知用戶的最優(yōu)能效值。利用 初始分解方法去除所有認(rèn)知用戶之間的禪合關(guān)系，可W保證所有認(rèn)知用戶的干擾總和在每 次迭代過程中都不會超過總溫度干擾闊值，進(jìn)而實現(xiàn)每個認(rèn)知用戶能效的最大化，在現(xiàn)有 技術(shù)基礎(chǔ)上不僅提高了系統(tǒng)譜效還可W提高系統(tǒng)的能效，進(jìn)而提升本發(fā)明在實際應(yīng)用中的 可行性。
【附圖說明】
[0040] 圖1為根據(jù)本發(fā)明一實施例的多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道分布式能效優(yōu)化方法的流 程圖；
[0041 ]圖2為本發(fā)明多用戶認(rèn)知MIMO干擾信道的系統(tǒng)框圖；
[0042]圖3為使用本發(fā)明分布式能效優(yōu)化方法與傳統(tǒng)最大化速率方法的系統(tǒng)能效與譜效 性能仿真對比圖。
【具體實施方式】
[0043] 為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白