一種面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法與流程

2023-06-12 12:42:36

本發明涉及無線通信技術領域，特別是指一種面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法。

背景技術：

無線通信業務量爆炸式增長與頻譜資源短缺之間的外在矛盾，驅動著無線通信理論與技術的內在變革，由於對頻譜需求的不斷增長，頻譜效率作為重要的通信性能指標在通信領域被廣泛研究。與此同時，隨著綠色信息與通信技術理論的拓展，能量高效無線通信系統不斷引起重視。然而，頻譜效率與能量效率在某種程度上不能總是保持一致發展，甚至會相互制約。因此，如何在保證無線通信系統頻譜效率的同時提高能量效率成為通信領域重要的研究方向。

全雙工技術，指在相同的時間和頻率資源上同時接收和發送信號，相較於傳統半雙工模式理論上可實現系統頻譜效率的倍增，從而成為imt-2020的關鍵技術之一。從設備層面，全雙工的核心問題是本地設備發射的同時同頻信號，即自幹擾，如何在本地接收機中進行有效抑制，目前已形成空域、射頻域、數字域聯合的自幹擾抑制路線在一定程度上可將幹擾抑制至噪聲水平，因而近年來全雙工技術已能夠有效應用到無線通信系統中。另外，在無線通信場景中，中繼作為網絡物理層的連接設備，主要功能是通過對信號的重新發送和轉發來擴大網絡傳輸的距離，可極大提高系統覆蓋範圍，而多輸入多輸出(mimo)中繼系統通過多天線分集增益可實現時間、頻率、功率上的資源共享，在一定程度上極大的提高了系統頻譜效率及鏈路可靠性，因而被廣泛應用於協作通信系統中。相較於傳統的單向中繼，雙向中繼通信方案相當於在同一個物理信道中支持了兩個單向信道，因此其彌補了單向中繼系統頻譜效率低下的缺點，為高效數據通信提供了一種有效的技術手段因而得到學術界和產業界的高度重視。因此，考慮到全雙工技術的高效性，將全雙工技術應用到雙向mimo中繼系統中已成為拓展中繼系統性能的有效途徑。

全雙工雙向mimo中繼的高頻譜性能毋庸置疑，然而其能量效率卻未被證明。由於雙向mimo中繼通信系統需要高速的數字信息處理系統及高頻的射頻信道開銷，因而其系統複雜度較高且成本較大。因此，在實際應用中，中繼處的射頻信道數往往是被限制的，而天線選擇成為解決這一問題的有效途徑，大量針對多天線系統的天線選擇方案在之前的研究中被提出。現有的全雙工雙向mimo中繼系統的天線選擇方案中，多是基於以系統容量為主導，以系統容量或者鏈路信噪比最大化、自幹擾最小化為標準，選擇固定數量的接收或者發送天線實現信號的傳輸。同時，信號模型中只考慮各通信節點傳輸功率，並未對功率消耗進行分析，將所提出的選擇方案與傳統窮舉方案進行比較從而說明該方案的技術優勢性。

因此，在實現本申請的過程中，發明人發現現有技術至少存在以下問題：面向全雙工雙向中繼系統中能量效率和頻譜效率存在一定的制約，使得現有系統中不能有效實現能量效率和頻譜效率的綜合優化設計。

技術實現要素：

有鑑於此，本發明的目的在於提出一種面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法，能夠綜合考慮通信系統的能量效率和頻譜效率，提高系統能量效率性能並降低系統的功率損耗。

基於上述目的本發明提供的一種面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法，包括：

根據全雙工雙向中繼系統中節點信號發送與接收模型，構建能量效率優化模型；其中，所述能量效率為系統總頻譜效率與總功率消耗的比值；所述能量效率優化模型包括能量效率迭代閉合表達式，該能量效率迭代閉合表達式與信道狀態信息及各節點發射功率有關；

基於構建的能量效率優化模型，選定中繼節點處一組收發天線使得系統獲得最大的能量效率增益；

根據選定的所述中繼收發天線，以系統頻譜效率和節點功率限制為約束，計算得到各個通信節點最優發射功率；

將計算得到的各節點最優發射功率作為下次迭代過程中選擇中繼收發天線時新的傳輸功率，基於能量效率迭代閉合表達式，且以對系統能量效率貢獻值最大為標準，在已選定中繼處收發天線的基礎上選定中繼節點處下一組收發天線；

更新中繼處收發天線子集，在給定頻譜效率及節點功率限制下，計算中繼收發天線子集更新後的各節點最優發射功率；其中，所述收發天線子集初始設定為空，每次選定的中繼收發天線添加到收發天線子集中；

對上述中繼天線選取以及節點最優發射功率計算的過程進行迭代計算，直到遍歷所有中繼節點處的收發天線，選定使得能量效率最大時的中繼收發天線集合以及對應的各節點最優發射功率；

基於選定的收發天線集合以及對應的最優發射功率進行系統通信。

可選的，所述根據選定的中繼收發天線，計算得到節點最優發射功率的步驟包括：

獲取頻譜效率以及各節點最大功率限制約束；

基於選定的中繼收發天線，以能量效率最大原則，構建功率優化模型；

根據構建的功率優化模型計算得到各節點的最優發射功率。

可選的，所述全雙工雙向中繼系統中節點信號發送與接收模型包括中繼節點的信號接收模型、中繼放大轉發因子以及節點發送信號與接收信號的關係模型；

中繼節點接收信號計算表達式為：

其中，xk(t)，k∈{1,2}表示源節點sk在t時刻的發送信號；xr(t)表示中繼節點r在t時刻的發送信號；yr(t)為中繼節點r在t時刻的接收信號；分別表示實際傳輸過程中源節點s1到中繼節點r、源節點s2到中繼節點r的子信道矩陣；isi表示中繼節點處的自幹擾信道；表示中繼節點處的加性白高斯噪聲；

中繼節點發送信號計算表達式為：

xr(t)＝αyr(t-1)；

其中，yr(t-1)表示(t-1)時刻中繼節點的接收信號，α表示中繼放大因子；pr表示中繼節點的信號發射功率；p1,p2分別表示兩個源節點處的發射功率，n0為節點噪聲；和分別表示實際傳輸過程中源節點s1及源節點s2到中繼節點r的子信道矩陣；ili為中繼節點處自幹擾；l為中繼節點的射頻信道數；

發送信號的協方差矩陣為：

其中，pk為節點功率約束；ns為源節點處天線數量；為ns階單位矩陣；

加性白高斯噪聲的協方差矩陣為：

其中，il為l階單位矩陣。

可選的，基於中繼節點採用幹擾消除技術將自幹擾控制在一定範圍內，且自幹擾與本地發送功率有關；

得到自幹擾信道與信號發射功率的關係：

isi～cn(0,ηrpr)；

其中，ηr為節點自幹擾消除能力參數。

可選的，所述構建能量效率優化模型的過程還包括：

節點採用信道檢測技術獲取信道狀態信息；

利用接收的期望信號、剩餘自幹擾和加性高斯白噪聲，得到源節點實際接收信號；所述源節點實際接收信號計算表達式如下：

其中，和分別表示實際傳輸過程中中繼節點r到源節點s1及源節點s2的子信道矩陣；表示兩個源節點處的噪聲，協方差矩陣表示為

進一步得到兩個源節點的可達速率，計算表達式為：

最後得到系統總速率，計算表達式為：

rsum＝r1+r2。

可選的，所述構建能量效率優化模型的過程還包括：

獲取信號傳輸功率消耗、射頻電路功率消耗以及中繼節點信號發射功率；

基於完全系統功率消耗模型，計算得到系統總功率消耗，其表達式為：

pt＝λs(p1+p2)+λrpr+pc；

pc＝2ns(pct,s+pcr,s)+l(pct,r+pcr,r)+pco；

其中，pt表示系統總功率消耗，λs和λr分別表示源節點和中繼節點功率放大器的漏極效率，pc表示射頻電路的功率消耗；pct,s,pct,r表示源節點和中繼節點每個射頻信道發送端消耗的功率，pcr,s,pcr,r表示源節點和中繼節點每個射頻信道接收端消耗的功率，pco表示頻率合成器和其他電路單元功率消耗。

可選的，所述構建能量效率優化模型的過程還包括：

基於系統中收發天線以及節點發射功率最優的原則，構建系統能量效率優化計算公式以及對應的約束公式；

能量效率優化模型的計算表達式為：

maxee

pc,s＝pct,s+pcr,s；

pc,r＝pct,r+pcr,r；

其中，rmin表示系統最低頻譜效率值，分別表示源節點與中繼節點的最大功率限制；lt和lr分別表示中繼節點處的接收天線子集和發送天線子集。

可選的，所述對上述中繼天線選取以及節點最優發射功率計算的過程進行迭代計算的步驟還包括：

基於信道矩陣更新過程，得到信道矩陣迭代模型；

採用二階矩陣更新定理，對信道矩陣迭代模型進行簡化，得到信道矩陣迭代簡化模型；

將信道矩陣迭代簡化模型代入能量效率優化模型中，得到能量效率迭代模型；

通過預選的優化工具求解，得到源節點與中繼節點的最優發射功率，並且依次循環迭代計算。

從上面所述可以看出，本發明提供的面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法，通過構建基於全雙工雙向中繼系統的能量效率優化模型，進而可以基於能量效率最優的原則去選擇中繼處相應的收發天線，並且基於已選取的中繼收發天線能夠計算得到各節點的最優發射功率。通過循環迭代計算過程，可以依次得到選定的中繼收發天線集合以及對應的各節點最優發射功率集合。這樣，通過選定的中繼收發天線構建的中繼系統不僅能夠實現系統能量效率的優化設計，而且基於每個節點均具有最優發射功率，能夠進一步降低系統的功率消耗。因此，本申請所述面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法能夠綜合考慮通信系統的能量效率和頻譜效率，提高系統能量效率性能並降低系統的功率損耗。

附圖說明

圖1為本發明提供的面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法的一個實施例的流程示意圖；

圖2為本發明提供的全雙工雙向mimo中繼通信系統結構示意圖；

圖3為本發明提供的面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法迭代計算的流程圖；

圖4為本發明提供的本申請方案與現有方案的第一個實施例的仿真結果對比圖；

圖5為本發明提供的本申請方案與現有方案的第二個實施例的仿真結果對比圖。

具體實施方式

為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。

需要說明的是，本發明實施例中所有使用「第一」和「第二」的表述均是為了區分兩個相同名稱非相同的實體或者非相同的參量，可見「第一」「第二」僅為了表述的方便，不應理解為對本發明實施例的限定，後續實施例對此不再一一說明。

現有的全雙工雙向mimo中繼系統的天線選擇技術通常都是預先定義了所選擇天線數量，同時基於系統容量為指標，雖然這些方案可以很好的提升系統容量性能，但是卻未考慮到系統能量消耗。而且隨著天線數量的增加，功率消耗以及射頻成本也會相應增加，導致系統能量效率將不斷降低；因此，現有中繼系統的實用性低、成本高、無法實現高能效的綠色通信。

參照圖2所示，為本發明提供的全雙工雙向mimo中繼通信系統結構示意圖。本發明中的全雙工雙向放大轉發mimo中繼系統包含兩個互傳信息的多天線全雙工源節點和一個轉發信息的多天線全雙工中繼節點。源節點s1和s2在一個全雙工多天線的af中繼的轉發下實現雙向信息交流，中繼節點r只有l(l≤nr)個有限射頻信道數，且l的數值未知，由系統根據能量效率最優的準則進行動態選擇，由於系統的三個節點均工作在全雙工模式下，故其收發信號相互幹擾，而源節點直接產生並發送數據，故其發射信號對接收信號存在幹擾，反之則無幹擾。由於源節點處在任意時刻可以獲知自身所發送的信號，因此兩個源節點處可通過聯合幹擾抑制技術實現完全乾擾消除，而中繼節點處仍存在部分剩餘自幹擾，一定程度上限制了系統性能。

針對上述問題，本發明提出一種迭代式的中繼收發天線動態選擇方案，並且通過中繼收發天線的選擇對系統能量效率實現優化。具體的，該方案中系統首先建立信號收發模型和節點能量模型，基於能量效率最大化為目標，動態地選擇最優的中繼處節點收發天線子集，並對各節點處的傳輸功率進行合理分配，旨在保證系統頻譜效率的同時提升系統的能量效率，降低功率損耗，減少通信成本，從而實現全雙工雙向mimo中繼的綠色高效通信。

更具體的，本申請關注面向同時同頻全雙工技術的放大轉發(af)雙向多入多出中繼協作通信系統的中繼天線選擇及功率分配方法。其中包括全雙工雙向mimo中繼的頻譜效率及能量效率模型的建立，節點處殘餘自幹擾處理方式，中繼處傳輸天線子集的選擇方法，最優節點傳輸功率分配方案。本發明的主要目的在於，在全雙工雙向放大轉發mimo中繼系統中，不存在直通鏈路及考慮剩餘自幹擾的情況下，提出一種基於能量效率優化的中繼天線選擇方案，該方案下中繼處可用射頻信道數未知，基於能量效率最大的準則動態選擇最優射頻信道數及對應的最優的中繼發送與接收天線子集，並提出各節點處的功率分配方案從而最大化系統能量效率，減少節點功率消耗，實現全雙工綠色通信。

參照圖1所示，為本發明提供的面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法的一個實施例的流程示意圖。所述面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法包括：

步驟101，根據全雙工雙向中繼系統中節點信號發送與接收模型，構建能量效率優化模型；其中，所述能量效率為系統總頻譜效率與總功率消耗的比值；所述能量效率優化模型包括能量效率迭代閉合表達式，該能量效率迭代閉合表達式與信道狀態信息及各節點發射功率有關；也即本申請為了綜合考量中繼系統中的能量消耗以及頻譜效率，將系統總頻譜效率與總功率消耗的比值設定為系統的能量效率。所述系統總頻譜效率為系統有效總速率，表示系統通信的效率。所述節點信號發送與接收模型包括信號發送接收的原理、節點信號限制約束等等通信模型。

步驟102，基於構建的能量效率優化模型，選定中繼節點處的一組收發天線使得系統獲得最大的能量效率增益；基於步驟101中得到的優化模型，然後通過能量效率表達式推導出能量效率的迭代模型，此時設定初始天線集合為空，因此模型中根據能量效率迭代閉合表達式選擇第一組收發天線時，信道矩陣為空且式子是簡化狀態的，因此可以直接通過選取信道範數最大的原則選出中繼處第一組收發天線。有了第一組收發天線之後，就可以得到相應的一組功率，然後將其作為下一組收發天線選擇的初始值，從而循環迭代。也即結合優化模型能夠在中繼系統中選定一組中繼收發天線，使得能量效率增益最大。例如：計算所有收發天線的能量效率然後選取其中系統能量效率增益最大的那一組作為選定的收發天線。

步驟103，根據選定的所述中繼收發天線，以系統頻譜效率和節點功率限制為約束，計算得到各節點最優發射功率；依據選定的中繼收發天線，可以進一步計算得到節點最優發射功率，作為下一次迭代計算的初始值。

上述步驟103進一步包括：

步驟1031，獲取頻譜效率以及各節點最大功率限制約束；

步驟1032，基於選定的中繼收發天線，以能量效率最大原則，構建功率優化模型；

步驟1033，根據構建的功率優化模型計算得到各節點的最優發射功率。

步驟104，將計算得到的各節點最優發射功率作為下次迭代過程中選擇中繼收發天線時新的傳輸功率，基於能量效率迭代閉合表達式，且以對系統能量效率貢獻值最大為標準，在已選定中繼處收發天線的基礎上選定下一組中繼節點處收發天線；

步驟105，更新中繼處收發天線子集，在給定頻譜效率及節點功率限制下，計算中繼收發天線子集更新後的各節點最優發射功率；其中，所述收發天線子集初始設定為空，每次選定的中繼收發天線添加到收發天線子集中；

步驟106，對上述中繼天線選取以及節點最優發射功率計算的過程進行迭代計算，直到遍歷所有中繼節點處的收發天線，選定使得能量效率最大時的中繼收發天線集合以及各節點對應的最優發射功率；

步驟107，基於選定的收發天線集合以及對應的最優發射功率進行系統通信。

由上述實施例可知，所述面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法，通過構建面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化模型，進而可以基於能量效率最優的原則去選擇相應的中繼收發天線，並且基於已選取的中繼收發天線能夠計算得到各節點的最優發射功率。通過循環迭代計算過程，可以依次得到選定的中繼收發天線集合以及對應的節點最優發射功率集合。這樣，通過選定的中繼收發天線構建的中繼系統不僅能夠實現系統能量效率的優化設計，而且基於每個節點均具有最優發射功率，能夠進一步降低系統的功率消耗。因此，本申請所述面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法能夠綜合考慮通信系統的能量效率和頻譜效率，提高系統能量效率性能並降低系統的功率損耗。

在本申請一些可選的實施例中，圖2所示的全雙工雙向mimo中繼網絡場景中，兩個源節點s1和s2處各配置ns根天線，中繼節點處配備nr根天線，不考慮直通鏈路且節點間的信道服從獨立瑞利衰落。中繼節點r處可用射頻信道數有限，設置為l，這意味著中繼節點處可用於傳輸的收發天線子集是根據天線選擇的結果動態設置的。lt和lr分別表示所選擇的接收天線子集和發送天線子集，並且|lt|＝|lr|＝l。基於af中繼轉發協議，中繼在某一時隙接收到來自於兩個端點的信息然後分別將其放大轉發至另一端節點，t時刻中繼節點處接收到的信號可表示為：

其中，xk(t),k∈{1,2}表示源節點sk在t時刻的發送信號，節點功率約束為pk，因此，發送信號的協方差矩陣可表示為和分別表示實際傳輸過程中源節點s1到中繼節點r以及源節點s2到中繼r節點的子信道矩陣，xr(t)表示中繼節點在t時刻的發射信號，isi表示中繼節點處的自幹擾信道，且滿足pr表示中繼節點處的信號發射功率。考慮到中繼節點處經過幹擾消除技術後的自幹擾可控制在一定範圍且與本地發射功率相關，因此，本申請中將isi表示為pr的函數，即定義isi～cn(0,ηrpr)，ηr表示節點自幹擾消除能力。表示中繼處的加性白高斯噪聲，其協方差矩陣表示為

與此同時，中繼節點接收到兩個源節點發送的信號之後，通過放大轉發協議將其轉發至另一源節點，且xr(t)＝αyr(t-1)，yr(t-1)表示(t-1)時刻中繼處的接收信號，α表示中繼放大因子，其表達式為：

由於所有節點處採用信道檢測技術，信道狀態信息對於各節點是已知的，所以當節點1接收到來自於節點2的期望信號以及剩餘自幹擾和加性高斯白噪聲時，同時會減去本節點處的已知信號，因此兩個端節點s1和s2的實際接收信號可表示為：

其中，和分別表示實際傳輸過程中中繼節點r到源節點s1以及源節點s2的子信道矩陣，表示兩個源節點處的噪聲，協方差矩陣表示為因此，當中繼處選擇數量為l的收發天線子集時，源節點s1及源節點s2處的可達速率分別可表示如下：

進一步，本申請中的全雙工雙向mimo中繼系統總速率可表示為：

rsum＝r1+r2

同時，基於本申請中考慮完全系統功率消耗模型，總的功率消耗主要由兩部分構成：一部分來源於信號傳輸過程中的功率消耗，另一部分則是來自於射頻電路的功率消耗，具體可表示為：

pt＝λs(p1+p2)+λrpr+pc

其中，pt表示系統總功率消耗，λs和λr分別表示源節點和中繼節點處功率放大器的漏極效率，pc表示射頻電路的功率消耗，這部分消耗表示如下：

pc＝2ns(pct,s+pcr,s)+l(pct,r+pcr,r)+pco

其中pct,s,pct,r表示源節點和中繼節點處每個射頻信道發送端消耗的功率，pcr,s,pcr,r表示源節點和中繼節點處每個射頻信道接收端消耗的功率，pco表示頻率合成器和其他電路單元功率消耗，令pc,s＝pct,s+pcr,s,pc,r＝pct,r+pcr,r。系統能量效率為系統總頻譜效率與總功率消耗的比值，具體表示為：

本申請在保證系統頻譜效率的同時，選擇最優的中繼收發天線子集及最優的節點發射功率{p1,p2,pr}最大化系統能量效率，根據以上計算，優化問題可以表示為：

maxee

其中，rmin表示系統最低頻譜效率值，分別表示源節點與中繼節點處的最大功率限制。針對以上優化問題，本發明中提出一種迭代式的中繼天線選擇與功率分配方案，該方案主要有兩個關鍵點：首先每次迭代過程中，在給定的節點傳輸功率下選擇中繼節點處的一組收發天線使得系統獲得最大能量效率增益；其次，每次迭代收發天線選定之後，根據當前所選擇收發天線子集計算源和中繼處最優發射功率，並將其作為下一次迭代的初始值。

參照圖3所示，為本申請提供的面向全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法迭代計算的流程簡圖。

由上述實施例可知，本發明提出的基於能量效率的全雙工雙向中繼系統的能量效率優化方法包括中繼天線選擇與功率分配，在保證系統頻譜效率的同時，有效地提升了複雜通信系統的能量效率，減少了功率消耗，降低了通信成本。針對各節點處配備多根天線的全雙工雙向中繼系統模型，其在提高頻譜效率的同時，複雜的天線環境也增加了系統射頻開銷，本申請中提出的方案通過動態的選擇中繼天線數使得中繼激活射頻信道數量始終處於一個高能效的狀態，且每個節點功率依據所選擇天線自適應地調整至能效最優狀態，有效地減少了系統的功率消耗，從而促進全雙工雙向mimo中繼的綠色高效通信。

在本申請另一些可選的實施例中，所述對上述天線選取以及節點最優發射功率計算的過程進行迭代計算的步驟還包括：基於信道矩陣更新過程，得到信道矩陣迭代模型；採用二階矩陣更新定理，對信道矩陣迭代模型進行簡化，得到信道矩陣迭代簡化模型；將信道矩陣迭代簡化模型代入能量效率優化模型中，得到能量效率迭代模型；通過預選的優化工具求解，得到源節點與中繼節點的最優發射功率，並且依次循環迭代計算。

具體的，基於以上思想，首先推導能量效率的迭代閉合表達式。假定第n次迭代之後中繼節點的接收天線與發射天線子集表示為其中，r(k),t(k)分別表示第k次所選擇的接收與發射天線，相應的從源節點到中繼節點、中繼節點到源節點的信道矩陣分別可表示為根據能量效率表達式，可得到第n次迭代後的系統能量效率表達式：

令因此本申請中的迭代表達式：

其中，假設當n+1次迭代時，如果中繼節點處第i*根接收天線和第j*根發射天線分別被選擇，即r(n+1)＝i；t(n+1)＝j，則新的子信道矩陣更新為

本申請實例中以和的矩陣迭代更新為例，相同的推導過程可應用至和考慮中繼節點處的天線選擇，n+1次迭代時信道矩陣更新為：

基於以上信道矩陣更新過程，應用矩陣輔助定理，可以得到和的迭代表達式：

其中

且相似的，在迭代表達式的基礎上，可以得出迭代表達式

其中根據二階矩陣更新定理，簡化表達式為：

其中，

且

此時，的迭代更新表達式已成功得出，根據相同的方法可以計算的迭代更新表達式，並將其代入到能量效率表達式，因此，能量效率的迭代閉合表達式表示為：

上式中第二部分代表電路功率消耗對能量效率的影響，第三部分表示當中繼處增加一組新的收發天線時能量效率的增益。因此，每次迭代過程中，天線選擇問題可轉化為如下優化問題

即得到基於能量效率的中繼天線選擇方案，系統根據上述選擇標準在每次迭代過程中選擇一組對於系統能量效率貢獻最大的中繼收發天線添加到天線子集當中。選定一組收發天線之後，根據當前收發天線子集，以能量效率最大為目標，功率限制及頻譜條件為約束計算節點最優發射功率，此時，優化問題表示為：

max:ee＝rsum(p1,p2,pr)/pt(p1,p2,pr)

上述優化問題可以通過matlab非線性優化工具箱求解，得到源節點與中繼節點的最優發射功率，並將該功率作為下一次迭代天線選擇的初始值，依次循環迭代，直到遍歷中繼節點處所有天線。選擇能量效率最大時所對應的中繼收發天線子集，以及相應的節點發射功率，實現能量效率的優化，減少功率消耗。

因此，本申請在基於能量效率的中繼天線選擇與功率分配方案上，首先建立系統的能量效率模型，定義系統的能量效率為系統頻譜效率與總功率消耗的比值。然後基於系統能量效率表達式推導其迭代的閉合表達式。基於此，提出一種迭代式的中繼天線選擇與功率分配方案，即設定中繼節點處所選天線子集初始值為空，首先根據能效迭代表達式選擇第一組中繼節點收發天線使得能量效率增益值最大，然後基於所選定天線，以能效最大為目標，頻譜效率與各節點處最大功率限制為約束建立優化模型計算得出當前天線子集下各節點最優發射功率，並將該功率值作為下一下迭代天線選擇的初始值。在已選天線子集的基礎上，每次迭代過程中，都選擇對系統能量效率貢獻值最大的一組收發天線，並計算最優節點功率，直到遍歷中繼所有收發天線，從而選擇出能量效率最大時所對用的中繼節點收發天線子集，並得到相應的最優功率值。上述天線選擇方案很好地權衡了系統的能量效率與頻譜效率的關係，極大提升了系統能量效率性能，並降低了功率損耗。

在另一些可選的實施例中，可以計算本申請提出的基於能量效率的天線選擇與功率分配方案下的能量效率值，並利用matlab仿真平臺得出能量效率曲線圖並與傳統容量比較，選擇固定數量天線的天線選擇方案進行比較，結果如圖4所示。由圖4可知：對於全雙工雙向mimo中繼系統，基於能量效率的天線選擇與功率分配方案相較於傳統以容量為主導選取固定數量天線的天線選擇方案能帶來明顯的能量效率增益，且單獨的功率分配方案對於能量效率的提升也具有明顯的優勢性。圖5結果反映，隨著中繼天線數量的增加，相較於本發明技術方案，傳統方案不能保證系統全局能量效率能效的提升且帶來更多的功率消耗，而本發明技術方案能量效率不斷提升，且由於功率分配方案的提出，節點功效相較於傳統方案能夠更好地得到控制，仿真結果直接證明了本發明中的技術方案對於能效的提升及功率消耗的抑制，論證了以上技術方案的可行性。

基於上述任意實施例可知，本申請至少保護以下內容：

(1)全雙工雙向afmimo中繼場景下，兩個全雙工源節點在全雙工中繼放大轉發下互傳信息，每個節點處配置多根全雙工天線，且中繼處選擇有限數量的射頻信道完成信號傳輸的協作方式。

(2)全雙工雙向afmimo中繼場景下，通過建立信號傳輸模型與能量效率模型，提出的基於能量效率優化的迭代式聯合中繼天線選擇方案，動態地選擇中繼節點處能量效率最大時的可激活射頻信道數，及其相對應的收發天線子集，並用於節點處最優功率分配的計算。

(3)採用上述天線選擇方案，每次迭代過程中，以能量效率最大為目標，頻譜限制及功率限制為約束的最優功率分配方案，並將計算出的節點功率用做下一次迭代的天線選擇初始值。

所屬領域的普通技術人員應當理解：以上任何實施例的討論僅為示例性的，並非旨在暗示本公開的範圍(包括權利要求)被限於這些例子；在本發明的思路下，以上實施例或者不同實施例中的技術特徵之間也可以進行組合，步驟可以以任意順序實現，並存在如上所述的本發明的不同方面的許多其它變化，為了簡明它們沒有在細節中提供。

另外，為簡化說明和討論，並且為了不會使本發明難以理解，在所提供的附圖中可以示出或可以不示出與集成電路(ic)晶片和其它部件的公知的電源/接地連接。此外，可以以框圖的形式示出裝置，以便避免使本發明難以理解，並且這也考慮了以下事實，即關於這些框圖裝置的實施方式的細節是高度取決於將要實施本發明的平臺的(即，這些細節應當完全處於本領域技術人員的理解範圍內)。在闡述了具體細節(例如，電路)以描述本發明的示例性實施例的情況下，對本領域技術人員來說顯而易見的是，可以在沒有這些具體細節的情況下或者這些具體細節有變化的情況下實施本發明。因此，這些描述應被認為是說明性的而不是限制性的。

儘管已經結合了本發明的具體實施例對本發明進行了描述，但是根據前面的描述，這些實施例的很多替換、修改和變型對本領域普通技術人員來說將是顯而易見的。例如，其它存儲器架構(例如，動態ram(dram))可以使用所討論的實施例。

本發明的實施例旨在涵蓋落入所附權利要求的寬泛範圍之內的所有這樣的替換、修改和變型。因此，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何省略、修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。