一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法
【專利摘要】本發明請求保護一種適用于大規模多輸入多輸出(MIMO)系統的能效優化方法。首先建立聯合優化基站天線數，天線子集和發射功率的能效優化模型。然后提出一種復雜度低的迭代搜索方法，假設基站天線數為M，首先對基站天線數從1到M進行遍歷；每選定一個天線數后，采用次優的基于信道矩陣范數的天線選擇算法進行天線子集的選取；當天線數和天線子集確定后，能效是發射功率的準凹函數，因此可以利用凸優化理論求解出最優發射功率，此時最優發射功率對應的能效即當前天線數下的最優能效；最后比較這M次能效，得出系統最優能效，最優天線數，天線子集和發射功率。本發明能夠在提高系統能量效率的同時降低系統的開銷。
【專利說明】
一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法
技術領域
[0001]本發明屬于無線通信技術領域，具體設計一種適用于大規模ΜΜ0系統的能效優化 方法，特別是涉及一種單小區多用戶大規模ΜΜ0系統的能效優化方法。
【背景技術】
[0002] 由于移動通信用戶數量的逐漸增加和寬帶多媒體業務的迅速發展，人們對通信系 統的傳輸速率以及性能的要求也越來越高，移動通信領域也因此在短時間內經歷了從第一 代到現在的第四代通信系統的發展。為了滿足人們日益漸進的需求，現已展開了對第五代 移動通信相關技術的研究。同時，高的傳輸速率意味著更多的能源消耗，有關研究表明，基 站的能耗是整個通信網能耗主要部分，每個基站大約需要消耗25MWh/年的能量，占系統總 能耗的57%。大量的能源消耗不僅增加了運營成本，而且加大二氧化碳的排放量，加重溫室 效應，帶來嚴重的環境問題。相關資料表明，通信領域所產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生的。我國一直堅持走可持續道路， 且提出建設資源節約型和環境友好型社會的戰略目標，無論從符合中國國情角度出發還是 從降低運營商成本角度考慮，能效成為通信系統重要的衡量指標，也就是說未來的移動通 信系統的研究側重點將由最大化系統吞吐量或者最小化系統功耗為準則逐步向以最大化 系統能效為準則轉移。大規模ΜΜ0作為第五代移動通信系統關鍵技術之一，是傳統ΜΜ0技 術的擴展和延伸，不僅擁有傳統ΜΜ0的優點，而且還可以提供更高的能量效率，因此對大規 模Μ頂0系統的能效進行研究尤為重要。
[0003] 大規模ΜΜ0系統是指基站端配置大規模天線陣列，因此大部分資料只研究了天線 數對系統能效的影響，并證明了系統能效隨著天線數的增加呈現準凹的變化趨勢，即存在 最優天線數使能效最優。與傳統Μπω不同，大規模Μπω系統基站端天線數很大，射頻鏈路也 隨之增加，因此為了更好地表達能效，不同于只考慮發射功耗的功耗模型的傳統ΜΙΜ0,大規 模ΜΜ0功耗模型采用同時考慮發射功耗和回路功耗兩部分，此時大規模ΜΜ0系統的能效與 發射功率的關系也會與傳統ΜΜ0系統不同。也就是說，規模ΜΜ0系統的能效隨著基站天線 數，天線子集和發射功率變化而變化。基于以上背景，本發明給出了一種基于單小區多用戶 大規模Μ頂0系統的能效優化方法。
【發明內容】
[0004] 為了克服上述現有技術的不足，本發明提供了一種復雜度低、有效的提高系統能 量效率的適用于大規模多輸入多輸出(ΜΙΜΟ)系統的能效優化方法。
[0005] 本發明的技術方案如下：
[0006] -種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法，其包括以下步驟：
[0007] 101、根據基站天線數Μ、用戶數Κ與能效的關系建立聯合優化基站天線數、天線子 集和用戶數的能效優化模型，能效優化模型可以表示為
[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表不系統總容 量，Ptcltai表示總能耗，β為發射端功率放大器效率的倒數，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建立的能效優化模型進行迭代搜索，所述迭代搜索包括如下步驟：
[0012] 1)對Μ根天線進行遍歷，即所選天線數N=1 :M，N代表本次遍歷中取的天線個數，取 值在1~Μ之間；
[0013] 2)當天線數Ν確定后，采用基于矩陣范數的天線選擇進行對天線子集的選取；
[0014] 3)當天線數和天線子集確定后，此時能效是關于發射功率的函數，利用凸優化理 論求解出最優發射功率，此時最優發射功率對應的能效即當前天線數下的最優能效。
[0015] 4)根據1)，2)和3)可以得出當天線數為1到Μ時最優的能效，比較這Μ次能效的大 小，進而得出最優能效，最優天線數，天線子集以及發射功率。
[0016] 進一步的，所述步驟102的步驟2)進行對天線子集進行選取包括步驟;首先采用基 于信道矩陣范數的天線選擇方法，求出信道矩陣Η的Μ個列向量的范數
然后利用快速排序算法對αη進行降序排列，得到新的序列V η， * 也就是說新的序列滿足V 2. . . >￥ Μ，因為天線數為Ν，所以此時天線子集選為{V 1>α ' 2. · .CI'n} 〇
[0017] 進一步的，所述步驟102的步驟3)天線數和天線子集確定后，進行發射功率的調 整，具體為：
[0018] 當天線數和天線子集一定后，這時函數可以表示為
K表示用戶數目，= 。此時能效是關于發射功率的準凹函數，因此利用凸優化理論 求解出最優發射功率。
[0019] 進一步的，所述利用凸優化理論求解出最優發射功率具體包括以下步驟；
[0020] 能效優化函數
丨于發送功率Pd的偽凹函數， 因此可以利用凸優化理論得到能效最優時的發射功率，即當時，可得最優發 射功率，此時最優發射功率對應的能效即當前天線數下的最優能效。所以，每次迭代中，利 用#(A,. )/A,.^0求得當前迭代中的最優發射功率。
[0021] 本發明的優點及有益效果如下：
[0022] 1、本發明利用系統能效與基站天線和發射功率的關系，提出聯合調整基站天線 數，天線子集和發射功率的方案，進而提高系統能效；
[0023] 2、能效是關于基站天線，天線子集以及發射功率的函數，也就是說優化目標是多 維的，直接求解復雜度比較大，因此本發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，再確定天線子集最后確定發射功率，以此降低了所求目標的復雜度；
[0024] 3、本發明采用次優的基于矩陣范數的天線選擇進行天線子集的選取，在保證系統 能效的同時降低算法復雜度。
【附圖說明】
[0025] 圖1是本發明提供優選實施例單小區多用戶大規模MBTO無線通信系統示意圖；
[0026] 圖2為本發明方法的流程圖；
[0027] 圖3為本發明方法的天線子集選取的流程圖。
【具體實施方式】
[0028] 以下結合附圖，對本發明作進一步說明：
[0029] 如圖1所示，本發明實施例考慮一個典型的單小區下行大規模mMO無線通信系統， 系統模型如圖1所示，其中基站端配置Μ根天線，同時和Κ個單天線用戶進行通信。基站到第k 個用戶的信道矩陣是一個均值為〇,方差為1的復高斯矩陣，可以表示為hk = [hk,i，hk, 2. . .hk,M]，那么整個系統的信道矩陣H=[hiT,h2T. . .hkT]是一個KXM的矩陣。然后結合圖2說 明本發明的具體實施方法，該方法包括以下步驟：
[0030] 步驟1、根據系統能效是關于天線數和發射功率的準凹函數這一性質，本發明提出 聯合調整天線數，天線子集和發射功率來提高能效的方案，并建立能效優化模型。為了降低 用戶間干擾，采用迫零(ZF)預編碼。為了更好地表示大規模ΜΜ0系統的能效，采用同時考慮 發射功耗和電路功耗的實際功耗模型，則能效優化模型可以表示為
[0031]
[0032]
[0033]其中，β為發射端功率放大器效率的倒數，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轉換器，數模轉換器，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所述優化模型，進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根天線進行遍歷，即所選天線數N=1 :M;
[0036] 6)當天線數N確定后，進行對天線子集進行選取，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的天線選擇方法，即求出信道矩陣Η的Μ個列向量的范數
，然后利用快速排序算法對αη進行降序排列，得到新的序列α \，也就是說新的序列滿足因為天線數為Ν，所以此時天線子集選為{Vi， α' 2. · .ci'n} 0
[0037] 7)當天線數和天線子集確定后，此時能效是關于發射功率的函數，即
L，根據能效隨著發射功率的增大呈現準凹的變化趨勢這一性質， 利用凸優化理論求解出最優發射功率，此時最優發射功率對應的能效即當前天線數下的最 優能效。
[0038] 8)根據1)，2)和3)可以得出當天線數為1到Μ時最優的能效，比較這Μ次能效的大 小，進而得出最優能效，最優天線數，天線子集以及發射功率。
[0039] 以上這些實施例應理解為僅用于說明本發明而不用于限制本發明的保護范圍。在 閱讀了本發明的記載的內容之后，技術人員可以對本發明作各種改動或修改，這些等效變 化和修飾同樣落入本發明權利要求所限定的范圍。
【主權項】
1. 一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法，其特征在于，包括以下步驟： 101、 根據基站天線數M、用戶數K與能效的關系建立聯合優化基站天線數、天線子集和 用戶數的能效優化模型，能效優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表不系統總容量， PtcitaI表示總能耗，β為發射端功率放大器效率的倒數，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建立的能效優化模型進行迭代搜索，所述迭代搜索包括如下步驟： 1) 對M根天線進行遍歷，即所選天線數N= I:M，N代表本次遍歷中取的天線個數，取值在 1~M之間； 2) 當天線數N確定后，采用基于矩陣范數的天線選擇進行對天線子集的選取； 3) 當天線數和天線子集確定后，此時能效是關于發射功率的函數，利用凸優化理論求 解出最優發射功率，此時最優發射功率對應的能效即當前天線數下的最優能效。 4) 根據1)，2)和3)可以得出當天線數為1到M時最優的能效，比較這M次能效的大小，進 而得出最優能效，最優天線數，天線子集以及發射功率。2. 根據權利要求1所述的一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法，其特征 在于，所述步驟102的步驟2)進行對天線子集進行選取包括步驟;首先采用基于信道矩陣范數的天線選擇方法，求出信道矩陣H的M個列向量的范數 _然后 9 利用快速排序算法對αη進行降序排列，得到新的序列α'η，也就是說新的序列滿足α?>α 2... >αΜ，因為天線數為Ν，所以此時天線子集選為{V i，(^ 2. . Ν}。3. 根據權利要求1或2所述的一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法，其 特征在于，所述步驟102的步驟3)天線數和天線子集確定后，進行發射功率的調整，具體為： 當天線數和天線子集一定后，這時函數可以表示為K表示用戶數目，5 = 。此時能效是關于發射功率的準凹函數，因此利用凸優化理論 求解出最優發射功率。4. 根據權利要求3所述的一種適用于大規模多輸入多輸出系統的能效優化方法，其特 征在于，所述利用凸優化理論求解出最優發射功率具體包括;能效是關于發射功率的函數此函數分子是關于Pd的凹函數，分母是關于Pd的凸函 數，則函數f (Pd)是關于發送功率Pd的偽凹函數，因此可以利用凸優化理論得到能效最優時 的發射功率，即當),//\, = 〇時，可得最優發射功率，此時最優發射功率對應的能效即當 前天線數下的最優能效，所以，每次迭代中，利用)/仏=O求得當前迭代中的最優發射 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
【發明人】唐宏, 趙迎芝, 葉宗剛, 劉遠航
【申請人】重慶郵電大學