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申请/专利权人：东南大学

摘要：本发明公开了一种电磁辐射约束的多用户上行速率分拆多址接入能效优化方法,在上行速率分拆多址接入传输中，每个用户的原始数据流被分成多个层，这些层以各自的功率并行且独立地传输，从而提升系统的频谱效率。基站使用串行干扰消除方法，依据一定的解码顺序对接收到的子数据流解码。还利用统计信道状态信息，联合设计各用户各层的发射协方差矩阵以及最优解码顺序，使得同一时频资源下各非正交用户在满足功率约束和电磁辐射约束的条件下，系统的能量效率最大化。本发明在多用户上行速率分拆多址接入传输设计中引入了电磁辐射约束，提高了能量效率。同时，随着统计信道状态信息发生变化，中央控制器能够动态实施电磁辐射约束的多用户上行速率分拆多址接入传输的能效优化方法。

主权项：1.电磁辐射约束的多用户上行速率分拆多址接入能效优化方法，其特征在于，利用统计信道状态信息，设计算法处理满足功率约束和电磁辐射约束的上行速率分拆多址接入的能效优化问题；将该问题分为等效的内外两层；其中，对外层问题的优化表示为在解码顺序的可行集上搜索最优解码顺序，以使内层优化的结果最大化；对内层问题的优化表示为在给定解码顺序的情况下，以能效最大化为准则，对各用户各层的发射协方差阵进行优化；设计算法处理满足功率约束和电磁辐射约束的上行速率分拆多址接入的能效优化问题，具体步骤如下：步骤1，针对外层问题采用一种贪心方法，根据各用户信道特性的不同预先确定解码顺序，使单用户系统中可达遍历速率较大的用户的解码顺序编号靠前排列；步骤2，针对内层问题首先应用大规模MIMO的信道硬化特性、Sylvester行列式恒等式，以及确定性等同方法来近似目标函数，即各态遍历能效，给出上行速率分拆多址接入传输中使用信道本征模耦合矩阵的各态遍历能效表达式；步骤3，基于最小化最大化MM和Dinkelbach方法，将非凸分式规划问题转化为一系列凸子问题，从而降低算法求解复杂度；步骤4，通过研究凸子问题的拉格朗日强对偶问题以及KKT条件，给出一种改进的注水方案，利用迭代算法求得一系列凸子问题的注水解，最终得到了考虑电磁辐射约束的上行速率分拆多址接入传输的低复杂度能效最大化方法；满足功率约束和电磁辐射约束的上行速率分拆多址接入的能效优化问题，具体表示为： 其中，Pmax,k表示第k个用户的功率约束，规定了发射协方差矩阵的半正定性，Rk,a表示第k个用户的第a个部位暴露于电磁辐射的比吸收率矩阵，Dk,a表示发射信号在第k个用户的第a个部位的比吸收率约束，表示第k个用户的电磁辐射部位的集合，Ak表示第k个用户处的比吸收率约束总个数，∏是由所有可能的子信号解码顺序组成的集合，总共包含KL！个离散元素；将上行速率分拆多址接入能效优化问题分为等效的内外两层，具体表示为：内层问题： 外层问题： s.t.π∈Π.；针对外层问题，采用一种贪心方法，根据各用户信道特性的不同预先确定解码顺序，使单用户系统中可达遍历速率较大的用户的解码顺序编号靠前排列；具体包含如下步骤：步骤1.1，考虑单用户系统，构建用户k处可达遍历速率优化问题： 步骤1.2，优化步骤1.1的问题，得到所有用户的可达速率，并将其排列为其中表示系统中的用编号索引；步骤1.3，由索引顺序k1,k2,…,kK得到解码顺序的贪心解，表示为： 对于内层问题，应用大规模MIMO的信道硬化特性、Sylvester行列式恒等式，以及确定性等同方法来近似目标函数，给出上行速率分拆多址接入传输中使用信道本征模耦合矩阵的各态遍历能效表达式，具体包含如下步骤：步骤2.1，定义在和上的矩阵值函数分别为 结合统计信道信息的定义得到： 步骤2.2，利用信道硬化特性，当M→∞的大规模MIMO系统中，信道的接收相关矩阵Uk对于所有用户近似相同，表示为结合Sylvester行列式恒等式，用户k层l的各态遍历速率Rk,l近似为： 其中， 步骤2.3，利用波束域统计信道状态信息，迭代计算上述速率的第一项的确定性等同辅助变量参数： 步骤2.4，迭代上述确定性等同参数，直至相邻两次Φk,l距离之差小于给定阈值，则的确定性等同表达如下： 步骤2.5，将速率的确定性等同表达代入上行速率分拆多址接入能效优化问题中，系统的能量效率写为： 基于最小化最大化MM和Dinkelbach方法，将非凸分式规划问题转化为一系列凸子问题，通过求解一系列子问题逼近上行速率分拆多址接入能效优化问题的最优解；具体步骤如下：步骤3.1，计算在点处的一阶泰勒展开式： 其中，表示在上的值，表示对Qp,q求偏导后的矩阵，具体写为： 步骤3.2，应用MM方法，将原问题等效为一系列伪凹问题，其中第个子问题的局部最大化结果表示为： 步骤3.3，求解第个子问题，将该问题转化为一系列凸问题，具体为： 其中，是引入的辅助变量，由第t次的迭代结果计算: 迭代过程在相邻两次迭代所得辅助变量之差小于给定阈值时终止；步骤3.4,在步骤3.3经历T次迭代收敛后得到步骤3.2中第个子问题的解，即然后由构建第个子问题，依次迭代，最终迭代收敛至原问题的次优解；通过研究凸子问题的拉格朗日强对偶问题以及KKT条件，给出一种改进的注水方案，利用迭代算法求得一系列凸子问题的注水解，最终得到了考虑电磁辐射约束的上行速率分拆多址接入传输的低复杂度能效最大化方法；具体包含如下步骤：步骤4.1，引入对偶变量φk和λk,a，其中定义一系列凸子问题的拉格朗日函数如下： 其中μk≥0,λk,a≥0,并且得到新的等效强对偶问题： 步骤4.2，迭代求解各用户各层的发射协方差矩阵及相应对偶变量直至收敛，步骤包括：步骤4.2.1、给定最优辅助矩阵 其中和分别是是功率约束和电磁辐射约束的最优对偶变量，则凸子问题的最优解通过上的修正注水得到，其特征值分解为： 其中，且对任意来说则凸子问题中，各用户各层的发射协方差矩阵的最优解为： 其中且x+＝max{x,0}；步骤4.2.2、最小化步骤4.1后得到的拉格朗日函数，即以更新对偶变量和步骤4.3，迭代上述过程，直至前后两次目标函数之差小于给定阈值，此时得到统计信道状态信息下凸优化子问题的发射协方差矩阵的最优解。

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百度查询： 东南大学 电磁辐射约束的多用户上行速率分拆多址接入能效优化方法