《電子技術(shù)應(yīng)用》
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Massive MIMO系統(tǒng)中最大化能量效率研究
2017年電子技術(shù)應(yīng)用第8期
吳君欽,,彭 斌
江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,,江西 贛州341000
摘要: 大規(guī)模MIMO(多輸入多輸出)技術(shù)可以通過(guò)增加基站天線數(shù)目來(lái)提高頻譜效率和能量效率,,作為未來(lái)移動(dòng)通信物理層的關(guān)鍵技術(shù),。通過(guò)在小區(qū)中部署適宜的用戶數(shù)目K,、最佳的基站天線數(shù)目M以及發(fā)送功率來(lái)最大化能量效率,,使用ZF(迫零)對(duì)上行鏈路和下行鏈路進(jìn)行處理,,并通過(guò)一個(gè)典型的MIMO功率消耗模型來(lái)揭示上述所提及的參數(shù)對(duì)能量效率的影響,。仿真結(jié)果表明,,隨著基站天線數(shù)目的增加,增大發(fā)送功率不僅能夠使系統(tǒng)服務(wù)更多的終端數(shù),,而且有助于提升整體的能量效率,。
中圖分類號(hào): TN92
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.166229
中文引用格式: 吳君欽,,彭斌. Massive MIMO系統(tǒng)中最大化能量效率研究[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2017,,43(8):105-109,,114.
英文引用格式: Wu Junqing,Peng Bin. Research on maximum energy efficiency in MIMO Massive system[J].Application of Electronic Technique,,2017,,43(8):105-109,114.
Research on maximum energy efficiency in MIMO Massive system
Wu Junqing,,Peng Bin
School of Information Engineering,,Jiangxi University of Science and Technology,Ganzhou 341000,,China
Abstract: Massive MIMO,is known as large-scale antenna system which is the key technology in future mobile communication physical layer,and brings huge improvements in spectral efficiency and energy efficiency by using a large excess of antennas of base station(BS). This paper maximizes the energy efficiency by deploying the appropriate number of users K, the optimal base station antenna number M and the transmit power in the cell. It considers jointly the uplink and downlink with zero-forcing(ZF) processing schemes at the base station and with a typical MIMO power consumption model that reveal how the above parameters affects the energy efficiency. The simulation result shows that the transmit power increase with the number of antennas can not only enable the system to serve more users but help to improve the energy efficiency.
Key words : Massive MIMO,;zero-forcing;energy efficiency,;power model

0 引言

    隨著智能終端的快速發(fā)展及其在無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)中的廣泛應(yīng)用,,無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸速率需求呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng),至2020年,,無(wú)線通信的傳輸速率需求將是目前傳輸速率的近千倍,,能夠提供每秒千兆比特傳輸?shù)?G移動(dòng)通信系統(tǒng)仍然難以滿足這種需求。因此,,有學(xué)者提出了大規(guī)模MIMO的概念[1],,即在基站端部署上百根天線來(lái)服務(wù)幾十個(gè)終端。對(duì)于一個(gè)非常大的天線陣列,,信道狀態(tài)由隨機(jī)變?yōu)榻y(tǒng)計(jì)確定,。其結(jié)果是小尺度衰弱能夠被平均。此外,,隨著基站天線數(shù)目的增加,,不同用戶信道矢量之間近似正交,當(dāng)天線數(shù)目趨于無(wú)窮時(shí),不同用戶信道矢量之間趨于正交。若天線數(shù)量無(wú)限制,,在BS端進(jìn)行簡(jiǎn)單的匹配濾波處理(Matched Filtering,,MF),不相關(guān)的噪聲和小區(qū)內(nèi)干擾可完全抑制[1],。大規(guī)模MIMO系統(tǒng)的另一個(gè)重要的優(yōu)勢(shì)是能夠降低發(fā)射功率,。在上行鏈路中,減少終端的發(fā)射功率有助于減緩電池的耗盡速度,。在下行鏈路中,,基站端的功率放大,電路及冷卻系統(tǒng)耗費(fèi)了主要的功率,。因此,,減少發(fā)射的射頻功率將有助于減少基站的功率消耗,。

    大規(guī)模天線陣列可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模MIMO的巨大潛力激發(fā)了研究者的興趣及其相關(guān)技術(shù)研究。現(xiàn)有的主要研究集中在以下幾個(gè)方面:(1)大規(guī)模天線陣列的設(shè)計(jì)[2],;(2)信道的建模和估計(jì)[3],;(3)頻譜效率和能量效率的權(quán)衡分析[4];(4)預(yù)編碼方案[5],;(5)信道估計(jì)和檢測(cè)算法[6],;(6)導(dǎo)頻的設(shè)計(jì)以及分配方案[7]

    在上行鏈路中的研究中,,文獻(xiàn)[8]證明了能量效率是關(guān)于天線數(shù)量M的擬凹函數(shù),。在下行鏈路中文獻(xiàn)[9]說(shuō)明了能量效率是關(guān)于M的擬凹函數(shù)。但是上述文獻(xiàn)得出結(jié)論的過(guò)程中沒(méi)有綜合考慮M和K 對(duì)最大化能量效率的影響,,或者能量效率的推導(dǎo)建立在簡(jiǎn)單的功率消耗模型上,。對(duì)于給定上行和速率,文獻(xiàn)[10]獲得了最佳的M和K,,由于沒(méi)有考慮導(dǎo)頻信號(hào)的開(kāi)銷,,從而使得獲得的K值很大。為了獲取更準(zhǔn)確的結(jié)果,,本文使用一種典型的MIMO功率消耗模型,,通過(guò)該模型來(lái)說(shuō)明實(shí)際的功耗擴(kuò)展速度大于隨線性增長(zhǎng)的M和K?;诖四P投聪ざ嘤脩舸笠?guī)模MIMO系統(tǒng)中M,、K和發(fā)送功率對(duì)總的上行和下行能量效率的影響。

1 系統(tǒng)模型

    考慮單小區(qū)系統(tǒng),,小區(qū)內(nèi)有K個(gè)用戶,。基站擁有M根天線服務(wù)于單天線用戶,。帶寬為B(Hz),,采用的是平坦衰落,相干帶寬為BC(Hz),,相干時(shí)間為T(mén)C(s),。所以在一個(gè)相干塊U=BCTC的長(zhǎng)度內(nèi),信道特性保持不變,。假設(shè)基站和用戶之間完全同步,,并且兩端采用TDD方式進(jìn)行通信,上下行發(fā)送的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如圖1所示,。上行和下行碼元發(fā)送比例是ζ(ul)和ζ(dl),,并且ζ(dl)(ul)=1,,上行鏈路中導(dǎo)頻信號(hào)占用Kτ(ul)個(gè)碼元,,τ(ul)≥1,。由于采用TDD方式進(jìn)行通信,所以基站可以充分利用信道的互易性,,由上行信道的估計(jì)來(lái)進(jìn)行信號(hào)接收以及下行信號(hào)預(yù)處理,。

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1.1 信道模型和預(yù)編碼

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1.2 上行鏈路

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其中,第一項(xiàng)表示期望信號(hào),,第二項(xiàng)表示小區(qū)內(nèi)來(lái)自其他用戶的干擾,,第三項(xiàng)表示噪聲。pd表示每個(gè)用戶的平均發(fā)送功率,,滿足pd=ρK,。s=[s1,s2,,…,,sK]T為K個(gè)用戶同時(shí)發(fā)送的信號(hào)矢量。

    采用ZF檢測(cè)器時(shí),,第k個(gè)用戶的信干比(Signal to Interference Ratio,,SINR)為:

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1.3 下行鏈路

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1.4 實(shí)際功率消耗消耗模型

    現(xiàn)有的大多數(shù)關(guān)于大規(guī)模MIMO能量效率的研究中,選取的功率消耗模型主要包括發(fā)射功率和設(shè)置為常數(shù)的電路消耗功率,。然而當(dāng)基站天線數(shù)目趨于無(wú)窮時(shí),,使用這種簡(jiǎn)單的模型會(huì)導(dǎo)致能量效率隨著基站天線數(shù)目的增加也無(wú)限增長(zhǎng)。產(chǎn)生這種結(jié)果的主要原因是由于電路當(dāng)中射頻(Radio Frequency,,RF)和基帶處理所消耗的功率會(huì)隨著M和K的增加而變化,。因此在傳統(tǒng)的MIMO中由于收發(fā)兩端的天線數(shù)目較少,可以將電路消耗的功率設(shè)置為常數(shù),。然而在大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中并不適用,。本文使用文獻(xiàn)[11]提出的典型MIMO收發(fā)器電路功率消耗模型:

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    該模型分為兩部份,固定功率PFIX為常量,,表示控制信號(hào),、與負(fù)載無(wú)關(guān)的回程以及基帶處理器的功率消耗;后面三項(xiàng)表示收發(fā)器的功率消耗,,其中PBS表示基站中每根天線的電路功率消耗包括轉(zhuǎn)換器,、混頻器和濾波器三部分,PSYN表示本地振蕩所需要的功率,,PUE則表示用戶端的放大器,、混頻器、振蕩器以及濾波器的電路功率消耗,。通過(guò)上述功率模型使分析得到的能量效率更接近真實(shí)值,。

2 最大化能量效率

2.1 多小區(qū)系統(tǒng)中最大化能量效率

    大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的能量效率采用bit/Joule來(lái)衡量,即表示平均和速率(bit/second)與總共消耗的平均功率的比值(Watt)。在多用戶環(huán)境中,,采用ZF處理上行鏈路和下行鏈路來(lái)最大化能量效率可以表示為:

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    本文通過(guò)最優(yōu)的用戶數(shù)目 K,、天線數(shù)目 M和發(fā)送功率ρ來(lái)最大化能量效率。 K和 M是整數(shù),,從而可以通過(guò)窮舉所有的( K,, M)對(duì)并為每對(duì)分配最優(yōu)的功率,以此來(lái)計(jì)算對(duì)應(yīng)的能量效率,。通過(guò)比較,,找出能量效率最大時(shí)所對(duì)應(yīng)的 K、M值,。

    上述方法雖然簡(jiǎn)單,,但是計(jì)算復(fù)雜度較大,它需要遍歷所有 K和M可能組合的能量效率值然后進(jìn)行對(duì)比從而解出最大值,。一個(gè)實(shí)用的方案是根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)的迭代算法優(yōu)化系統(tǒng)參數(shù),,可以通過(guò)乘積對(duì)數(shù)函數(shù)[12]來(lái)推導(dǎo)出每一次迭代的最優(yōu)解M和ρ,而對(duì)于K作為自變量時(shí),,目標(biāo)函數(shù)的求解不滿足乘積對(duì)數(shù)函數(shù)的求解條件,,所以K無(wú)法利用上述方法求解。由于能量效率是關(guān)于K的擬凹函 ,,所以可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)函數(shù)求關(guān)于K的導(dǎo)數(shù),,進(jìn)而求得最優(yōu)的K值。具體的算法如下:

    (1)初始化M,、K,、ρ。

    (2)求解最優(yōu)用戶數(shù)量

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    ρ*的表達(dá)式中含有C′,、D′兩項(xiàng),,可以看出發(fā)送功率(PA)隨著固定功率、基站天線和用戶天線{PBS,,PFIX,,PSYN,PUE}的增加而增加,,即天線數(shù)目增加時(shí),,由式(9)可知相應(yīng)的電路消耗功率也會(huì)增加,而式(16)說(shuō)明了電路消耗功率的增加會(huì)引起ρ*的增加,,從而提升和速率,。所以當(dāng)發(fā)射功率相對(duì)于總的消耗功率可以忽略不計(jì)時(shí),通過(guò)提高電路消耗功率來(lái)最大化能量效率是可行的,。從文獻(xiàn)[13]的研究中可以得出,,當(dāng)基站無(wú)法獲得準(zhǔn)確的信道狀態(tài)信息(CSI)時(shí),隨著M的變大,發(fā)送功率與tx3-gs16-x1.gif成反比,。然而,,本文通過(guò)式(16)來(lái)說(shuō)明通過(guò)文獻(xiàn)[13]無(wú)法準(zhǔn)確獲得系統(tǒng)最優(yōu)的能量效率。

    (5)重復(fù)步驟(2)~(5),,直到迭代完成,。

    上述所求解的能量效率有上界,。因此,,設(shè)置任意的初始值M、K,、ρ,,通過(guò)迭代算法使每一次計(jì)算數(shù)值向最優(yōu)的值逼近,并且在逼近的過(guò)程中,,M,、K、ρ的值只會(huì)增加(或保持),直到求得最終的解,。   

2.2 多小區(qū)系統(tǒng)中最大化能量效率

    在多小區(qū)系統(tǒng)中采用與單小區(qū)相同的分析架構(gòu),。假設(shè)所有小區(qū)中的M、K,、ρ小區(qū)形狀,,用戶分配方式以及傳播環(huán)境都相同,即小區(qū)間完全對(duì)稱,。仿真中使用J個(gè)小區(qū),。記xjk表示小區(qū)j中的第k個(gè)終端的位置,lj(x)表示小區(qū)j中在位置x∈R2處用戶和基站之間的信道衰減包括路徑損耗,、散射,、陰影衰弱三部分。由于仿真中采用完全對(duì)稱的方案表明在不同小區(qū)的同一位置處反向平均信道衰弱Sx=E{(lj(xjk))-1}都相同,。此外,,定義:

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用來(lái)表征小區(qū)l中的用戶k對(duì)小區(qū)j的上行鏈路干擾。由于對(duì)稱的原因,,系統(tǒng)中上行鏈路和下行鏈路的干擾相同,,即Ijl=Ilj

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    式(18)相對(duì)于單小區(qū)系統(tǒng)要復(fù)雜的多,,由于文中考慮的參數(shù)K,、M、ρ都出現(xiàn)在了分子和分母上,,所以求解非常復(fù)雜,。在這里本文將其放到單小區(qū)的系統(tǒng)模型中去求解,通過(guò)將式(18)代入到單小區(qū)系統(tǒng)中可取得與單小區(qū)相似的結(jié)果。

3 仿真分析

    本節(jié)中對(duì)前文提出的假設(shè)通過(guò)MATLAB仿真來(lái)證明,。仿真中,,上行鏈路和下行鏈路都采用ZF處理。本文分別分析了在單小區(qū)擁有好的信道狀態(tài)信息時(shí)能量效率與發(fā)送功率的關(guān)系以及在多小區(qū)中導(dǎo)頻污染對(duì)能量效率的影響,。同時(shí),,分別給出了在兩種模式下系統(tǒng)達(dá)到最大能量效率時(shí)所需要的基站天線數(shù)目,小區(qū)內(nèi)所能服務(wù)的最大用戶量和最佳發(fā)射功率,。相應(yīng)的仿真參數(shù)由表1給出,。

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    本文所考慮的多小區(qū)系統(tǒng)是完全對(duì)稱的。用戶的分配方式和單小區(qū)系統(tǒng)完全相同,,小區(qū)的形狀為正六邊形,,并且假定每個(gè)小區(qū)所受到的干擾只限于其每個(gè)方向上最近的一個(gè)小區(qū)。仿真中分別采用導(dǎo)頻復(fù)用因子為1,、4進(jìn)行仿真,。所有仿真結(jié)果如圖2~5所示。

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    圖2和圖3是對(duì)單小區(qū)性能的描述,。圖2表示當(dāng)基站擁有完整的信道狀態(tài)信息并使用ZF處理時(shí),,每次迭代產(chǎn)生的能量效率所對(duì)應(yīng)的M和K。每組M和K所對(duì)應(yīng)的最優(yōu)ρ由式(15)求得,。圖中的*號(hào)表示全局最優(yōu)點(diǎn),,可以看出圖2的表面光滑并且是凹的,并且達(dá)到的能量效率為33.78 Mbit/Joule所對(duì)應(yīng)的M=188,,K=120,。每次迭代的過(guò)程即為圖中所標(biāo)記的圓點(diǎn),從圖中可以看到大約經(jīng)過(guò)5次迭代之后就已經(jīng)非常接近最佳值點(diǎn),。

    圖3表示的是使用不同M(K是最優(yōu)的)最大化能量效率時(shí)候所消耗的PA功率,,圓圈表示最大能量效率點(diǎn)。圖中總的PA功率曲線隨著M的增加而上升,,說(shuō)明當(dāng)基站增加天線數(shù)目時(shí),,可以通過(guò)提高發(fā)射功率來(lái)最大化能量效率。同時(shí)圖3給出了每根基站天線的發(fā)射功率隨著天線數(shù)目的增加而減小,,原因是總的發(fā)射功率雖然增加,,但是由于M值較大,從而分配到每根天線上的功率就相對(duì)較小,。

    圖4~5為多小區(qū)的仿真結(jié)果,。圖4表示在多小區(qū)中最優(yōu)的能量效率所對(duì)應(yīng)的M和K的值,采用的導(dǎo)頻復(fù)用因子為4,,此時(shí)受到導(dǎo)頻污染的可能性最小,。盡管如此,,在多小區(qū)系統(tǒng)中,目標(biāo)小區(qū)所能達(dá)到的能量效率僅為單小區(qū)的一半,。圖5表示不同導(dǎo)頻復(fù)用因子下的發(fā)射功率,。圖5和圖3比較相似,只是在多小區(qū)的仿真中能夠?qū)崿F(xiàn)的能量效率減小,。因此,,小區(qū)間的干擾通過(guò)減少吞吐量減少了發(fā)送功率和能量效率。從圖中可以看出,,導(dǎo)頻復(fù)用因子越高,,受到的小區(qū)間干擾越小。同時(shí)隨著天線數(shù)目的增加,,仍然可以通過(guò)增加發(fā)送功率來(lái)提升能量效率,。

4 結(jié)論

    本文針對(duì)現(xiàn)有大規(guī)模MIMO系統(tǒng)中的功率消耗模型只考慮了發(fā)射功率的消耗而忽視了電路功率消耗,,或者僅將電路消耗功率作常數(shù)處理,,不考慮隨著硬件變化,相應(yīng)的電路功耗也會(huì)隨之改變,。本文使用一種現(xiàn)有的功率消耗模型,,基于該模型的能量效率是關(guān)于M和K的擬凹函數(shù)。通過(guò)對(duì)上下行鏈路進(jìn)行ZF處理,,聯(lián)合M和K以及發(fā)射功率來(lái)最大化能量效率,。在基站端配置上百根天線同時(shí)服務(wù)大量的終端,并且隨著M和K的增加,,可以通過(guò)提高總的發(fā)射功率來(lái)提升系統(tǒng)的能量效率,。

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作者信息:

吳君欽,彭  斌

(江西理工大學(xué) 信息工程學(xué)院,,江西 贛州341000)

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