一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明請求保護(hù)一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出(MIMO)系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法。首先建立聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)，天線子集和發(fā)射功率的能效優(yōu)化模型。然后提出一種復(fù)雜度低的迭代搜索方法，假設(shè)基站天線數(shù)為M，首先對基站天線數(shù)從1到M進(jìn)行遍歷；每選定一個天線數(shù)后，采用次優(yōu)的基于信道矩陣范數(shù)的天線選擇算法進(jìn)行天線子集的選??；當(dāng)天線數(shù)和天線子集確定后，能效是發(fā)射功率的準(zhǔn)凹函數(shù)，因此可以利用凸優(yōu)化理論求解出最優(yōu)發(fā)射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng)前天線數(shù)下的最優(yōu)能效；最后比較這M次能效，得出系統(tǒng)最優(yōu)能效，最優(yōu)天線數(shù)，天線子集和發(fā)射功率。本發(fā)明能夠在提高系統(tǒng)能量效率的同時降低系統(tǒng)的開銷。
【專利說明】
一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)計(jì)一種適用于大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的能效優(yōu)化 方法，特別是涉及一種單小區(qū)多用戶大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 由于移動通信用戶數(shù)量的逐漸增加和寬帶多媒體業(yè)務(wù)的迅速發(fā)展，人們對通信系 統(tǒng)的傳輸速率以及性能的要求也越來越高，移動通信領(lǐng)域也因此在短時間內(nèi)經(jīng)歷了從第一 代到現(xiàn)在的第四代通信系統(tǒng)的發(fā)展。為了滿足人們?nèi)找鏉u進(jìn)的需求，現(xiàn)已展開了對第五代 移動通信相關(guān)技術(shù)的研究。同時，高的傳輸速率意味著更多的能源消耗，有關(guān)研究表明，基 站的能耗是整個通信網(wǎng)能耗主要部分，每個基站大約需要消耗25MWh/年的能量，占系統(tǒng)總 能耗的57%。大量的能源消耗不僅增加了運(yùn)營成本，而且加大二氧化碳的排放量，加重溫室 效應(yīng)，帶來嚴(yán)重的環(huán)境問題。相關(guān)資料表明，通信領(lǐng)域所產(chǎn)生的二氧化碳占總二氧化碳排放 量的9%，其中很大一部分的二氧化碳是由移動通信產(chǎn)生的。我國一直堅(jiān)持走可持續(xù)道路， 且提出建設(shè)資源節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的戰(zhàn)略目標(biāo)，無論從符合中國國情角度出發(fā)還是 從降低運(yùn)營商成本角度考慮，能效成為通信系統(tǒng)重要的衡量指標(biāo)，也就是說未來的移動通 信系統(tǒng)的研究側(cè)重點(diǎn)將由最大化系統(tǒng)吞吐量或者最小化系統(tǒng)功耗為準(zhǔn)則逐步向以最大化 系統(tǒng)能效為準(zhǔn)則轉(zhuǎn)移。大規(guī)模ΜΜ0作為第五代移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)之一，是傳統(tǒng)ΜΜ0技 術(shù)的擴(kuò)展和延伸，不僅擁有傳統(tǒng)ΜΜ0的優(yōu)點(diǎn)，而且還可以提供更高的能量效率，因此對大規(guī) 模Μ頂0系統(tǒng)的能效進(jìn)行研究尤為重要。
[0003] 大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)是指基站端配置大規(guī)模天線陣列，因此大部分資料只研究了天線 數(shù)對系統(tǒng)能效的影響，并證明了系統(tǒng)能效隨著天線數(shù)的增加呈現(xiàn)準(zhǔn)凹的變化趨勢，即存在 最優(yōu)天線數(shù)使能效最優(yōu)。與傳統(tǒng)Μπω不同，大規(guī)模Μπω系統(tǒng)基站端天線數(shù)很大，射頻鏈路也 隨之增加，因此為了更好地表達(dá)能效，不同于只考慮發(fā)射功耗的功耗模型的傳統(tǒng)ΜΙΜ0,大規(guī) 模ΜΜ0功耗模型采用同時考慮發(fā)射功耗和回路功耗兩部分，此時大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的能效與 發(fā)射功率的關(guān)系也會與傳統(tǒng)ΜΜ0系統(tǒng)不同。也就是說，規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的能效隨著基站天線 數(shù)，天線子集和發(fā)射功率變化而變化?；谝陨媳尘?，本發(fā)明給出了一種基于單小區(qū)多用戶 大規(guī)模Μ頂0系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供了一種復(fù)雜度低、有效的提高系統(tǒng)能 量效率的適用于大規(guī)模多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法。
[0005] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[0006] -種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，其包括以下步驟：
[0007] 101、根據(jù)基站天線數(shù)Μ、用戶數(shù)Κ與能效的關(guān)系建立聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)、天線子 集和用戶數(shù)的能效優(yōu)化模型，能效優(yōu)化模型可以表示為
[0008]
[0009]
[0010] 其中，基站到第k個用戶的信道矩陣是一個均值為0,方差為1的復(fù)高斯矩陣，可以 表不為hk= [hk,i，hk,2. . .hk,M]，hk,n表不用戶k在第η個天線上的信道增益，Cn表不系統(tǒng)總?cè)?量，Ptcltai表示總能耗，β為發(fā)射端功率放大器效率的倒數(shù)，Pb為基帶處理功耗，Prf為射頻前端 功耗，包括信號傳輸路徑上所有的電路模塊；
[0011] 102、對步驟101建立的能效優(yōu)化模型進(jìn)行迭代搜索，所述迭代搜索包括如下步驟：
[0012] 1)對Μ根天線進(jìn)行遍歷，即所選天線數(shù)N=1 :M，N代表本次遍歷中取的天線個數(shù)，取 值在1~Μ之間；
[0013] 2)當(dāng)天線數(shù)Ν確定后，采用基于矩陣范數(shù)的天線選擇進(jìn)行對天線子集的選??；
[0014] 3)當(dāng)天線數(shù)和天線子集確定后，此時能效是關(guān)于發(fā)射功率的函數(shù)，利用凸優(yōu)化理 論求解出最優(yōu)發(fā)射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng)前天線數(shù)下的最優(yōu)能效。
[0015] 4)根據(jù)1)，2)和3)可以得出當(dāng)天線數(shù)為1到Μ時最優(yōu)的能效，比較這Μ次能效的大 小，進(jìn)而得出最優(yōu)能效，最優(yōu)天線數(shù)，天線子集以及發(fā)射功率。
[0016] 進(jìn)一步的，所述步驟102的步驟2)進(jìn)行對天線子集進(jìn)行選取包括步驟;首先采用基 于信道矩陣范數(shù)的天線選擇方法，求出信道矩陣Η的Μ個列向量的范數(shù)
然后利用快速排序算法對αη進(jìn)行降序排列，得到新的序列V η， * 也就是說新的序列滿足V 2. . . >￥ Μ，因?yàn)樘炀€數(shù)為Ν，所以此時天線子集選為{V 1>α ' 2. · .CI'n} 〇
[0017] 進(jìn)一步的，所述步驟102的步驟3)天線數(shù)和天線子集確定后，進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào) 整，具體為：
[0018] 當(dāng)天線數(shù)和天線子集一定后，這時函數(shù)可以表示為
K表示用戶數(shù)目，= 。此時能效是關(guān)于發(fā)射功率的準(zhǔn)凹函數(shù)，因此利用凸優(yōu)化理論 求解出最優(yōu)發(fā)射功率。
[0019] 進(jìn)一步的，所述利用凸優(yōu)化理論求解出最優(yōu)發(fā)射功率具體包括以下步驟；
[0020] 能效優(yōu)化函數(shù)
丨于發(fā)送功率Pd的偽凹函數(shù)， 因此可以利用凸優(yōu)化理論得到能效最優(yōu)時的發(fā)射功率，即當(dāng)時，可得最優(yōu)發(fā) 射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng)前天線數(shù)下的最優(yōu)能效。所以，每次迭代中，利 用#(A,. )/A,.^0求得當(dāng)前迭代中的最優(yōu)發(fā)射功率。
[0021] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)及有益效果如下：
[0022] 1、本發(fā)明利用系統(tǒng)能效與基站天線和發(fā)射功率的關(guān)系，提出聯(lián)合調(diào)整基站天線 數(shù)，天線子集和發(fā)射功率的方案，進(jìn)而提高系統(tǒng)能效；
[0023] 2、能效是關(guān)于基站天線，天線子集以及發(fā)射功率的函數(shù)，也就是說優(yōu)化目標(biāo)是多 維的，直接求解復(fù)雜度比較大，因此本發(fā)明采用一種新的迭代搜索方法，此迭代搜索方法通 過先確定天線數(shù)，再確定天線子集最后確定發(fā)射功率，以此降低了所求目標(biāo)的復(fù)雜度；
[0024] 3、本發(fā)明采用次優(yōu)的基于矩陣范數(shù)的天線選擇進(jìn)行天線子集的選取，在保證系統(tǒng) 能效的同時降低算法復(fù)雜度。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實(shí)施例單小區(qū)多用戶大規(guī)模MBTO無線通信系統(tǒng)示意圖；
[0026] 圖2為本發(fā)明方法的流程圖；
[0027] 圖3為本發(fā)明方法的天線子集選取的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 以下結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進(jìn)一步說明：
[0029] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例考慮一個典型的單小區(qū)下行大規(guī)模mMO無線通信系統(tǒng)， 系統(tǒng)模型如圖1所示，其中基站端配置Μ根天線，同時和Κ個單天線用戶進(jìn)行通信?；镜降趉 個用戶的信道矩陣是一個均值為〇,方差為1的復(fù)高斯矩陣，可以表示為hk = [hk,i，hk, 2. . .hk,M]，那么整個系統(tǒng)的信道矩陣H=[hiT,h2T. . .hkT]是一個KXM的矩陣。然后結(jié)合圖2說 明本發(fā)明的具體實(shí)施方法，該方法包括以下步驟：
[0030] 步驟1、根據(jù)系統(tǒng)能效是關(guān)于天線數(shù)和發(fā)射功率的準(zhǔn)凹函數(shù)這一性質(zhì)，本發(fā)明提出 聯(lián)合調(diào)整天線數(shù)，天線子集和發(fā)射功率來提高能效的方案，并建立能效優(yōu)化模型。為了降低 用戶間干擾，采用迫零(ZF)預(yù)編碼。為了更好地表示大規(guī)模ΜΜ0系統(tǒng)的能效，采用同時考慮 發(fā)射功耗和電路功耗的實(shí)際功耗模型，則能效優(yōu)化模型可以表示為
[0031]
[0032]
[0033]其中，β為發(fā)射端功率放大器效率的倒數(shù)，Pb為基帶處理功耗，Prf為射頻前端功耗， 包括信號傳輸路徑上所有的電路模塊，這些電路模塊包括模數(shù)轉(zhuǎn)換器，數(shù)模轉(zhuǎn)換器，頻率合 成器，混頻器，功率放大器等。
[0034]步驟2、為了解決步驟1所述優(yōu)化模型，進(jìn)而提出一種新的迭代搜索方法。所述的迭 代搜索方法包括如下步驟：
[0035] 5)對Μ根天線進(jìn)行遍歷，即所選天線數(shù)N=1 :M;
[0036] 6)當(dāng)天線數(shù)N確定后，進(jìn)行對天線子集進(jìn)行選取，具體流程如圖3所示，具體描述包 括：首先采用基于信道矩陣范數(shù)的天線選擇方法，即求出信道矩陣Η的Μ個列向量的范數(shù)
，然后利用快速排序算法對αη進(jìn)行降序排列，得到新的序列α \，也就是說新的序列滿足因?yàn)樘炀€數(shù)為Ν，所以此時天線子集選為{Vi， α' 2. · .ci'n} 0
[0037] 7)當(dāng)天線數(shù)和天線子集確定后，此時能效是關(guān)于發(fā)射功率的函數(shù)，即
L，根據(jù)能效隨著發(fā)射功率的增大呈現(xiàn)準(zhǔn)凹的變化趨勢這一性質(zhì)， 利用凸優(yōu)化理論求解出最優(yōu)發(fā)射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng)前天線數(shù)下的最 優(yōu)能效。
[0038] 8)根據(jù)1)，2)和3)可以得出當(dāng)天線數(shù)為1到Μ時最優(yōu)的能效，比較這Μ次能效的大 小，進(jìn)而得出最優(yōu)能效，最優(yōu)天線數(shù)，天線子集以及發(fā)射功率。
[0039] 以上這些實(shí)施例應(yīng)理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。在 閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變 化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，其特征在于，包括以下步驟： 101、 根據(jù)基站天線數(shù)M、用戶數(shù)K與能效的關(guān)系建立聯(lián)合優(yōu)化基站天線數(shù)、天線子集和 用戶數(shù)的能效優(yōu)化模型，能效優(yōu)化模型可以表示為其中，基站到第k個用戶的信道矩陣是一個均值為0,方差為1的復(fù)高斯矩陣，可以表示 為hk= [hk,I，hk,2. . .hk,M]，hk,n表不用戶k在第η個天線上的信道增益，Cn表不系統(tǒng)總?cè)萘浚?PtcitaI表示總能耗，β為發(fā)射端功率放大器效率的倒數(shù)，Pb為基帶處理功耗，Prf為射頻前端功 耗，包括信號傳輸路徑上所有的電路模塊； 102、 對步驟101建立的能效優(yōu)化模型進(jìn)行迭代搜索，所述迭代搜索包括如下步驟： 1) 對M根天線進(jìn)行遍歷，即所選天線數(shù)N= I:M，N代表本次遍歷中取的天線個數(shù)，取值在 1~M之間； 2) 當(dāng)天線數(shù)N確定后，采用基于矩陣范數(shù)的天線選擇進(jìn)行對天線子集的選??； 3) 當(dāng)天線數(shù)和天線子集確定后，此時能效是關(guān)于發(fā)射功率的函數(shù)，利用凸優(yōu)化理論求 解出最優(yōu)發(fā)射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng)前天線數(shù)下的最優(yōu)能效。 4) 根據(jù)1)，2)和3)可以得出當(dāng)天線數(shù)為1到M時最優(yōu)的能效，比較這M次能效的大小，進(jìn) 而得出最優(yōu)能效，最優(yōu)天線數(shù)，天線子集以及發(fā)射功率。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，其特征 在于，所述步驟102的步驟2)進(jìn)行對天線子集進(jìn)行選取包括步驟;首先采用基于信道矩陣范數(shù)的天線選擇方法，求出信道矩陣H的M個列向量的范數(shù) _然后 9 利用快速排序算法對αη進(jìn)行降序排列，得到新的序列α'η，也就是說新的序列滿足α?>α 2... >αΜ，因?yàn)樘炀€數(shù)為Ν，所以此時天線子集選為{V i，(^ 2. . Ν}。3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，其 特征在于，所述步驟102的步驟3)天線數(shù)和天線子集確定后，進(jìn)行發(fā)射功率的調(diào)整，具體為： 當(dāng)天線數(shù)和天線子集一定后，這時函數(shù)可以表示為K表示用戶數(shù)目，5 = 。此時能效是關(guān)于發(fā)射功率的準(zhǔn)凹函數(shù)，因此利用凸優(yōu)化理論 求解出最優(yōu)發(fā)射功率。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種適用于大規(guī)模多輸入多輸出系統(tǒng)的能效優(yōu)化方法，其特 征在于，所述利用凸優(yōu)化理論求解出最優(yōu)發(fā)射功率具體包括;能效是關(guān)于發(fā)射功率的函數(shù)此函數(shù)分子是關(guān)于Pd的凹函數(shù)，分母是關(guān)于Pd的凸函 數(shù)，則函數(shù)f (Pd)是關(guān)于發(fā)送功率Pd的偽凹函數(shù)，因此可以利用凸優(yōu)化理論得到能效最優(yōu)時 的發(fā)射功率，即當(dāng)),//\, = 〇時，可得最優(yōu)發(fā)射功率，此時最優(yōu)發(fā)射功率對應(yīng)的能效即當(dāng) 前天線數(shù)下的最優(yōu)能效，所以，每次迭代中，利用)/仏=O求得當(dāng)前迭代中的最優(yōu)發(fā)射 功率。
【文檔編號】H04W52/42GK105933971SQ201610321009
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年5月16日
【發(fā)明人】唐宏, 趙迎芝, 葉宗剛, 劉遠(yuǎn)航
【申請人】重慶郵電大學(xué)