本發(fā)明涉及無(wú)線通信領(lǐng)域，尤其涉及一種基于集中式MIMO系統(tǒng)的能量效率管理方法及系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
：在無(wú)線通信中，常見(jiàn)的有多輸入多輸出(Multiple-InputMultiple-Output，MIMO)系統(tǒng)與單輸入單輸出(SingleInputSingleOutput，SISO)系統(tǒng)。實(shí)際應(yīng)用中，已經(jīng)證明在集中式(CA)系統(tǒng)中，MIMO系統(tǒng)在多徑衰落的環(huán)境中要遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于SISO系統(tǒng)。除此之外，CA系統(tǒng)還有不同的架構(gòu)，如：與空間分離的正交極化天線單元以及集中式正交極化單元?，F(xiàn)有的集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)主要關(guān)注點(diǎn)在于不同情況下的總遍歷速率，例如在CA系統(tǒng)模型中，人們考察的總是在基站(BaseStation，BS)已知信道狀態(tài)信息(ChannelStateInformation，CSI)的條件下的總遍歷速率。在CA系統(tǒng)中，許多研究已經(jīng)考慮到衰落信道對(duì)總遍歷速率的影響，與此同時(shí)，相關(guān)專(zhuān)家還預(yù)測(cè)到在未來(lái)的十年內(nèi)，全球移動(dòng)數(shù)據(jù)的增加速度將會(huì)是現(xiàn)在的100倍。在無(wú)線通信中，因?yàn)橐苿?dòng)終端設(shè)備的電量是有限的，因此能量存儲(chǔ)是非常重要的。然而，現(xiàn)今電池技術(shù)發(fā)展的速度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于移動(dòng)終端設(shè)備能量損耗增加的速度，因此能量效率(EnergyEfficiency，EE)在無(wú)線通信中至關(guān)重要。但是，現(xiàn)有的集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)主要關(guān)注點(diǎn)在于不同情況下的總遍歷速率，而對(duì)于日趨重要的EE卻并未多加關(guān)注與研究。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：有鑒于此，本發(fā)明的目的在于提供一種基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法及其系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術(shù)中并沒(méi)有提出有效的能量效率管理的問(wèn)題。本發(fā)明提出一種基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法，所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)包括多個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)終端，其中，所述方法主要包括：系統(tǒng)連接步驟：基于集中式系統(tǒng)模型，在所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)中連接K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站，其中K和L均遠(yuǎn)大于1；能量效率計(jì)算步驟：根據(jù)K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站之間的通信連接計(jì)算所述集中式系統(tǒng)模型的能量效率；發(fā)射功率調(diào)整步驟：根據(jù)計(jì)算得到的能量效率調(diào)整基站的發(fā)射功率。另一方面，本發(fā)明還提供一種能量效率管理系統(tǒng)，所述能量效率管理系統(tǒng)包括：相互通信連接的多個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)終端；系統(tǒng)連接模塊，用于基于集中式系統(tǒng)模型連接K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站，其中K和L均遠(yuǎn)大于1；能量效率計(jì)算模塊，用于根據(jù)K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站之間的通信連接計(jì)算所述集中式系統(tǒng)模型的能量效率；發(fā)射功率調(diào)整模塊，用于根據(jù)計(jì)算得到的能量效率調(diào)整基站的發(fā)射功率。本發(fā)明提供的技術(shù)方案，通過(guò)系統(tǒng)連接步驟、能量效率計(jì)算以及發(fā)射功率調(diào)整步驟這些步驟，主要是分析了集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率(EE)在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型中的不同表現(xiàn)，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是先增大，然后隨著最大發(fā)射功率的增加而減小，但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著最大發(fā)射功率的增加而減小。不僅如此，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是隨著B(niǎo)S數(shù)量的增加而減小的。但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著B(niǎo)S的數(shù)量增加而增加。根據(jù)計(jì)算得到的能量效率的這些特點(diǎn)來(lái)調(diào)整基站的發(fā)射功率。附圖說(shuō)明圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式中基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法流程圖；圖2為本發(fā)明一實(shí)施方式中的能量效率管理系統(tǒng)10的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明一實(shí)施方式中近似容量的理論值與仿真值的對(duì)比示意圖；圖4a為本發(fā)明一實(shí)施方式中在理想功耗模型中能量效率與最大發(fā)射功率的關(guān)系示意圖；圖4b為本發(fā)明一實(shí)施方式中在實(shí)際功耗模型中能量效率與最大發(fā)射功率的關(guān)系示意圖；圖5為本發(fā)明一實(shí)施方式中分別在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型下，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路中的能量效率與基站數(shù)量之間的關(guān)系示意圖。具體實(shí)施方式為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。以下將對(duì)本發(fā)明所提供的一種基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。請(qǐng)參閱圖1，為本發(fā)明一實(shí)施方式中基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法流程圖。在本實(shí)施方式中，所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)包括多個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)終端，在集中式大規(guī)模的MIMO系統(tǒng)中，本發(fā)明在迫零波束成形(ZFBF)預(yù)編碼的情形下，分別討論了能量效率(EnergyEfficiency，EE)與基站(BS)最大發(fā)射功率的關(guān)系，以及EE與BS的數(shù)量之間各自在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型中的關(guān)系。在步驟S1中，系統(tǒng)連接步驟、基于集中式系統(tǒng)模型，在所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)中連接K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站，其中K和L均遠(yuǎn)大于1。在本實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)連接步驟S1具體包括：將所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)分成多個(gè)單元，將每一個(gè)基站分別設(shè)置在所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)中每一個(gè)單元的中心，并在每一個(gè)單元中均勻的分布多個(gè)移動(dòng)終端，其中每一個(gè)基站和每一個(gè)移動(dòng)終端均配置有單根天線。在本實(shí)施方式中，不失一般性的，本發(fā)明的所有基站都設(shè)置在各個(gè)單元的中心位置上，且各個(gè)單元均為圓形單元，圓形單元的半徑設(shè)為1。在步驟S2中，能量效率計(jì)算步驟、根據(jù)K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站之間的通信連接計(jì)算所述集中式系統(tǒng)模型的能量效率。在本實(shí)施方式中，所述能量效率計(jì)算步驟S2具體包括：根據(jù)第K個(gè)移動(dòng)終端的下行鏈路的性能，計(jì)算第K個(gè)移動(dòng)終端所接收到的信號(hào)為：其中，nk表示在第K個(gè)移動(dòng)終端上服從均值為零且方差為N0的加性高斯白噪聲(AWGN)，xk為L(zhǎng)·1維的向量，hk為1·L維的向量，xk表示從基站到第K個(gè)移動(dòng)終端的傳輸信號(hào)向量，hk表示從基站到第K個(gè)移動(dòng)終端的信道增益向量，其中，hk同時(shí)包含小規(guī)模和大規(guī)模的信道衰落，且hk＝gkοgk，gk表示1·L維的小規(guī)模衰落向量，gk表示1·L維的大規(guī)模衰落向量，ο表示哈達(dá)馬乘積，所述小規(guī)模衰落向量的元素是具有均值為0且方差為1的獨(dú)立同分布的復(fù)數(shù)高斯隨機(jī)變量；根據(jù)基站總共的最大發(fā)射功率Pt計(jì)算在實(shí)際功耗模型和在理想功耗模型中的能量效率ηEE(R)，其中，在實(shí)際功耗模型中，能量效率hEE(R)＝R/Preal，R是集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的總?cè)萘?，?shí)際功耗t表示射頻功率放大器的效率，Pdy和Pst分別表示動(dòng)態(tài)功率損耗和靜態(tài)功率損耗；在理想功耗模型中，能量效率hEE(R)＝R/Pideal，理想功耗R是集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的總?cè)萘?，t表示射頻功率放大器的效率。在本實(shí)施方式中，為了簡(jiǎn)化，本發(fā)明將忽略陰影效應(yīng)的影響，因此，本發(fā)明將模型的大規(guī)模衰落系數(shù)表示為：其中，a表示路徑損耗指數(shù)，通常為3-5之間，dk,l表示第K個(gè)移動(dòng)終端與基站之間的距離。在集中式(CA)系統(tǒng)中，所有的基站都位于圓形單元的中心，這意味著任何一個(gè)移動(dòng)終端到第L個(gè)基站的大規(guī)模衰落系數(shù)都是一致的。在本實(shí)施方式中，發(fā)射天線的數(shù)量不可以小于接收天線的數(shù)量，當(dāng)基站個(gè)數(shù)L遠(yuǎn)大于移動(dòng)終端個(gè)數(shù)K時(shí)，假設(shè)基站總共的最大發(fā)射功率為Pt，并將其平均分配給所有的移動(dòng)終端，則每個(gè)移動(dòng)終端的功率可表達(dá)為：為了進(jìn)一步探究集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率，在集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中，本發(fā)明使用ZFBF預(yù)編碼通過(guò)歸一化等處理后得到總帶寬的近似表達(dá)，從而讓集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路的容量可以簡(jiǎn)化為第k個(gè)MS的近似容量：在本實(shí)施方式中，所述能量效率計(jì)算步驟S2具體還包括：根據(jù)所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的下行鏈路的容量，計(jì)算第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量將所有的基站坐標(biāo)設(shè)置為同時(shí)將第K個(gè)移動(dòng)終端的坐標(biāo)設(shè)置為其中平均接收信噪比N0為噪聲功率；在Pt/N0遠(yuǎn)大于1的情況下，將第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量簡(jiǎn)化為根據(jù)簡(jiǎn)化后的第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量Rk，計(jì)算所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的移動(dòng)終端平均速率根據(jù)移動(dòng)終端平均速率RC計(jì)算所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率其中，在實(shí)際功耗模型中，PTotal等于實(shí)際功耗在理想功耗模型中，PTotal等于理想功耗t表示射頻功率放大器的效率。在步驟S3中，發(fā)射功率調(diào)整步驟、根據(jù)計(jì)算得到的能量效率調(diào)整基站的發(fā)射功率。本發(fā)明提供的一種基于集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率管理方法，通過(guò)系統(tǒng)連接步驟、能量效率計(jì)算以及發(fā)射功率調(diào)整步驟這些步驟，主要是分析了集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率(EE)在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型中的不同表現(xiàn)，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是先增大，然后隨著最大發(fā)射功率的增加而減小，但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著最大發(fā)射功率的增加而減小。在基站的最大發(fā)射功率和實(shí)際功耗模型中的EE之間有一個(gè)折衷值。原因是，當(dāng)最大發(fā)射功率很小時(shí)，系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)速率比最大發(fā)射功率快得多，因此，增加的系統(tǒng)容量足以彌補(bǔ)增加的實(shí)際功率損耗。但是，當(dāng)最大發(fā)射功率比較大時(shí)，系統(tǒng)容量的增長(zhǎng)速率要小于最大發(fā)射功率，從而導(dǎo)致增加的系統(tǒng)容量不足以彌補(bǔ)增加的實(shí)際功率損耗。在理想功耗模型中，EE是最大發(fā)射功率的遞減函數(shù)，這意味著最大發(fā)送功率的增長(zhǎng)速率總是比系統(tǒng)容量快。這種折衷現(xiàn)象在SISO系統(tǒng)中同樣存在。不僅如此，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是隨著B(niǎo)S數(shù)量的增加而減小的。但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著B(niǎo)S的數(shù)量增加而增加。根據(jù)計(jì)算得到的能量效率的這些特點(diǎn)來(lái)調(diào)整基站的發(fā)射功率。在實(shí)際功耗模型中，EE隨著B(niǎo)S的數(shù)量而減小。主要的原因是，當(dāng)BS的數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)容量的增加非常小，因此，不足以彌補(bǔ)實(shí)際功耗的增加。但是，在理想功耗模型中，系統(tǒng)的EE是BS數(shù)量的遞增函數(shù)。也就是說(shuō)，當(dāng)BS的數(shù)量增加時(shí)，系統(tǒng)容量會(huì)顯著提升。盡管如此，由于考慮到各種因素的影響，它在實(shí)際的功率消耗中并不實(shí)用。請(qǐng)參閱圖2，所示為本發(fā)明一實(shí)施方式中的能量效率管理系統(tǒng)10的結(jié)構(gòu)示意圖。在本實(shí)施方式中，能量效率管理系統(tǒng)10，主要包括相互通信連接的多個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)終端、系統(tǒng)連接模塊11、能量效率計(jì)算模塊12以發(fā)射功率調(diào)整模塊13。系統(tǒng)連接模塊11，用于基于集中式系統(tǒng)模型連接K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站，其中K和L均遠(yuǎn)大于1。在本實(shí)施方式中，所述系統(tǒng)連接模塊11具體還用于：將多個(gè)基站和多個(gè)移動(dòng)終端分成多個(gè)單元，將每一個(gè)基站分別設(shè)置在每一個(gè)單元的中心，并在每一個(gè)單元中均勻的分布多個(gè)移動(dòng)終端，其中每一個(gè)基站和每一個(gè)移動(dòng)終端均配置有單根天線。能量效率計(jì)算模塊12，用于根據(jù)K個(gè)移動(dòng)終端和L個(gè)基站之間的通信連接計(jì)算所述集中式系統(tǒng)模型的能量效率。在本實(shí)施方式中，所述能量效率計(jì)算模塊12具體用于：根據(jù)第K個(gè)移動(dòng)終端的下行鏈路的性能，計(jì)算第K個(gè)移動(dòng)終端所接收到的信號(hào)為：其中，nk表示在第K個(gè)移動(dòng)終端上服從均值為零且方差為N0的加性高斯白噪聲，xk為L(zhǎng)·1維的向量，hk為1·L維的向量，xk表示從基站到第K個(gè)移動(dòng)終端的傳輸信號(hào)向量，hk表示從基站到第K個(gè)移動(dòng)終端的信道增益向量，其中，hk同時(shí)包含小規(guī)模和大規(guī)模的信道衰落，且hk＝gkοgk，gk表示1·L維的小規(guī)模衰落向量，gk表示1·L維的大規(guī)模衰落向量，ο表示哈達(dá)馬乘積，所述小規(guī)模衰落向量的元素是具有均值為0且方差為1的獨(dú)立同分布的復(fù)數(shù)高斯隨機(jī)變量；根據(jù)基站總共的最大發(fā)射功率Pt計(jì)算在實(shí)際功耗模型和在理想功耗模型中的能量效率ηEE(R)，其中，在實(shí)際功耗模型中，能量效率hEE(R)＝R/Preal，R是集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的總?cè)萘?，?shí)際功耗t表示射頻功率放大器的效率，Pdy和Pst分別表示動(dòng)態(tài)功率損耗和靜態(tài)功率損耗；在理想功耗模型中，能量效率hEE(R)＝R/Pideal，理想功耗R是集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的總?cè)萘浚瑃表示射頻功率放大器的效率。在本實(shí)施方式中，所述能量效率計(jì)算模塊12具體還用于：根據(jù)所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的下行鏈路的容量，計(jì)算第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量將所有的基站坐標(biāo)設(shè)置為同時(shí)將第K個(gè)移動(dòng)終端的坐標(biāo)設(shè)置為其中平均接收信噪比N0為噪聲功率；在Pt/N0遠(yuǎn)大于1的情況下，將第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量簡(jiǎn)化為根據(jù)簡(jiǎn)化后的第K個(gè)移動(dòng)終端的近似容量Rk，計(jì)算所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的移動(dòng)終端平均速率根據(jù)移動(dòng)終端平均速率RC計(jì)算所述集中式多輸入多輸出系統(tǒng)的能量效率其中，在實(shí)際功耗模型中，PTotal等于實(shí)際功耗在理想功耗模型中，PTotal等于理想功耗t表示射頻功率放大器的效率。發(fā)射功率調(diào)整模塊13，用于根據(jù)計(jì)算得到的能量效率調(diào)整基站的發(fā)射功率。本發(fā)明提供的一種能量效率管理系統(tǒng)10，通過(guò)系統(tǒng)連接模塊11、能量效率計(jì)算模塊12以發(fā)射功率調(diào)整模塊13，分析了集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的能量效率(EE)在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型中的不同表現(xiàn)，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是先增大，然后隨著最大發(fā)射功率的增加而減小，但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著最大發(fā)射功率的增加而減小。不僅如此，在實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的EE是隨著B(niǎo)S數(shù)量的增加而減小的。但是在理想功耗模型中，EE會(huì)隨著B(niǎo)S的數(shù)量增加而增加。根據(jù)計(jì)算得到的能量效率的這些特點(diǎn)來(lái)調(diào)整基站的發(fā)射功率。最后，本發(fā)明對(duì)集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路的性能在不同的功耗模型中進(jìn)行數(shù)值結(jié)果評(píng)估，系統(tǒng)參數(shù)的使用如表1所示。表1仿真參數(shù)參數(shù)數(shù)值噪聲功率N0-104dbm動(dòng)態(tài)功耗Pdy30dbm靜態(tài)功耗Pst40dbm最大發(fā)射功率Pt45dbm路徑損耗指數(shù)a4射頻功率放大器的效率t38％為了證實(shí)本發(fā)明的結(jié)論，本發(fā)明對(duì)系統(tǒng)模型進(jìn)行了仿真分析。如圖3所示，本發(fā)明分析比較了在集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的近似容量與仿真結(jié)果。根據(jù)結(jié)果分析，表明了理論容量總是相同的，這意味著理論分析與實(shí)際情況相一致。根據(jù)如圖4a所示，本發(fā)明在理想功耗模型中，EE是隨著最大發(fā)射功率的增加而減少的。但是如圖4b所示，本發(fā)明在實(shí)際功耗模型中，EE是先增加，然后隨著最大發(fā)射功率的增加而減少，符合上述的理論描述。同時(shí)，本發(fā)明還知道了最適合的發(fā)射功率，從而使EE最大限度的提高到33dbm。圖5比較了在理想功耗模型和實(shí)際功耗模型中，集中式大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的下行鏈路中的EE與基站(BS)的數(shù)量之間的關(guān)系。由圖5所示，在理想功耗模型中，EE是隨著B(niǎo)S的數(shù)量的增加而增加的；而在實(shí)際功耗模型中，EE是隨著B(niǎo)S的數(shù)量的增加而減少的。這一結(jié)果也符合上述的理論描述。值得注意的是，上述實(shí)施例中，所包括的各個(gè)單元只是按照功能邏輯進(jìn)行劃分的，但并不局限于上述的劃分，只要能夠?qū)崿F(xiàn)相應(yīng)的功能即可；另外，各功能單元的具體名稱(chēng)也只是為了便于相互區(qū)分，并不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。另外，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解實(shí)現(xiàn)上述各實(shí)施例方法中的全部或部分步驟是可以通過(guò)程序來(lái)指令相關(guān)的硬件來(lái)完成，相應(yīng)的程序可以存儲(chǔ)于一計(jì)算機(jī)可讀取存儲(chǔ)介質(zhì)中，所述的存儲(chǔ)介質(zhì)，如ROM/RAM、磁盤(pán)或光盤(pán)等。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3